Способ переработки послеспиртовой барды
Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ переработки послеспиртовой барды. Способ включает разделение барды в декантере на дисперсную фазу и жидкую среду, сушку дисперсной фазы с последующим получением кормового продукта и дополнительную обработку жидкой среды в седикантере, на выходе которого получают пастообразный кормовой продукт и светлый фильтрат. Светлый фильтрат из седикантера подают для дополнительной переработки в фотобиореактор с микроводорослью Chlorella vulgaris BIN, где осуществляют наращивание биомассы микроводоросли и получение готового кормового продукта в виде суспензии микроводоросли Chlorella vulgaris BIN. Изобретение обеспечивает получение богатого биологически активными компонентами, белком и другими макро- и микроэлементами кормового продукта, упрощение технологического процесса переработки барды. 1 ил.
Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано при производстве кормов из отходов производства спирта.
При производстве этилового спирта основным технологическим отходом является жидкая послеспиртовая барда. Взвешенные вещества барды представляют собой только 6-8% от ее общей массы, а оставшийся после первичной переработки грубый фильтрат, содержащий мелкодисперсные взвеси и все растворимые вещества, составляет 9/10 исходного объема барды. Послеспиртовая барда обладает высокими показателями ХПК (химическое потребление кислорода) и БПК (биохимическое потребление кислорода): более 70 тыс. мг О2/л, поэтому сооружения очистки сточных вод не в состоянии справиться с данным видом отходов при его поступлении в исходной форме. В то же время растворенные и нерастворенные вещества в барде представляют собой белки и аминокислоты, жиры, микроэлементы, углеводы и витамины, составляют до 25% веществ исходного сырья и могут являться ценным кормовым продуктом.
Используемые в настоящее время технологии переработки барды ориентированы в первую очередь на выделение основной массы сухих веществ. Начальная стадия переработки барды представляет собой ее первичный передел (центрифугирование, фильтрование), в результате которого исходная барда преобразуется в твердую фазу (кек), состоящую из основного объема содержащихся в барде взвесей, и жидкую среду (грубый фильтрат или фугат).
Известны технологии переработки фильтрата среды путем его упаривания (Денщиков М.Т. Отходы пищевой промышленности и их использование. - М.: Пищепромиздат, 1963, с. 200-202), где оставшийся после выпаривания сухой остаток, образующий смесь с первичным (после декантирования) кеком, высушивается в термодинамических сушилках с получением кормового продукта стандарта DDGS (Distiller′s Dried Grains with Solubles). Подобные технологии имеют высокую капитальную стоимость и чрезмерный уровень потребления электроэнергии. Чаще используется усеченная технология, предполагающая выделение и переработку только твердой фазы с получением кормового продукта стандарта DDG (Distiller′s Dried Grains). Конечным результатом подобной переработки является вода различной степени загрязнения, которая не может быть доочищена дешевыми способами и поэтому в виде неочищенного фильтрата сбрасывается на рельеф (открытые водоемы) или в канализацию.
Известны технологии, основанные на биологической переработке послеспиртовой барды. Однако биологический способ переработки традиционными аэробными методами с использованием аэротенков или биофильтров обладает рядом недостатков, а именно:
- необходимость разбавления высококонцентрированных отходов для обеспечения стабильной работы сооружений очистки сточных вод, что ведет к увеличению объемов перерабатываемых стоков и очистных сооружений, потребляемой технологической воды и энергозатрат на прокачивание воды;
- высокие энергозатраты на аэрацию сточных вод;
- образование вторичных отходов - избытка биомассы (активного ила, биопленки), утилизация и захоронение которой также является экологической проблемой;
- необходимость введения дополнительных количеств биогенных элементов в случае их дефицита в перерабатываемом потоке, несбалансированное добавление которых может привести дополнительному загрязнению окружающей среды;
- сложность обеспечения требуемых нормативов содержания остаточных загрязнений в случае очистки без разбавления сточной воды, особенно жестких в России вследствие холодного климата и низкой самоочищающей способности природных экосистем.
Технология переработки барды путем ее анаэробного сбраживания в метантенках с последующим упариванием метановой бражки и сушкой получаемого концентрата предполагает получение высокобелкового кормового продукта и биогаза. Однако подобные малоотходные анаэробные системы биологической очистки сточных вод в метантенках или септитенках малопригодны для обезвреживания стоков с высоким содержанием органических загрязнений из-за наличия у них существенных недостатков:
- экстенсивность вследствие медленного протекания процесса биологического разложения;
- необходимость использования под оборудование очистки (метантенков) значительных площадей;
- повышенный расход тепла на обогрев анаэробного реактора, особенно в холодных климатических зонах;
- нестабильность анаэробного брожения и метанобразования вследствие недостаточно высокого для этих процессов содержания органических веществ в очищаемом потоке;
- необходимость утилизации взрывоопасных газов;
- невозможность обеспечения требуемых нормативов содержания остаточных загрязнений в очищенной воде.
Таким образом, имеющиеся сегодня технологии переработки послеспиртовой барды предполагают использование сложного дорогостоящего оборудования, которое при эксплуатации требует существенных энергетических затрат и эксплуатационных расходов и зачастую сопряжено с образованием значительного количества не переработанных отходов. При этом основная трудность заключается в переработке именно жидкой фазы, поскольку в ней содержится целый комплекс загрязняющих веществ.
Известен штамм микроводоросли планктонного типа Chlorella vulgaris BIN для получения биомассы и очистки сточных вод (RU 2192459; МПК C12N 1/12, C02F 3/34; 10.11.2002), предназначенный для получения биомассы и очистки сточных вод. Штамм не требователен к питательной среде и способен к высокой степени очистки различных категорий сточных вод.
Морфологические признаки штамма.
Молодые клетки шаровидной или слабоэллипсоидной формы, размером от 2 до 4 мкм. Взрослые - шаровидные, на жидкой питательной среде: аммиачная селитра 0,5 г; суперфосфат одинарный, 10% раствор 0,5 мл; суточный настой соломы 100 мл; водопроводная вода 1 л, диаметром 5-8 мкм. Окраска темно-зеленая, клетки не осаждаются, в суспензии распределены равномерно. Слабое обрастание стенок сосуда отмечается на 3-й день. На агаризированной обедненной минеральной среде: аммиачная селитра 0,5 г; суперфосфат одинарный, 10% раствор 0,5 мл; агар-агар 15 г; водопроводная вода 1 л на 10-й день на свету образуются крупные, выпуклые колонии с ровными краями. Диаметр колоний 1-3 мм, окрашены в темно-зеленый цвет, размер клеток 3-7 мкм.
Физиологические признаки штамма.
Клетки делятся на 4-16, а чаще на 4-8 автоспор. Штамм автотрофный. В лабораторных условиях растет на водопроводной воде с добавлением обедненной минеральной среды на 1 л воды: аммиачная селитра 0,5 г; суперфосфат одинарный, 10% раствор 0,5 мл; суточный настой соломы 100 мл. В полупроизводственных условиях вместо соломы к 1 л обедненной минеральной среды добавляют 0,3-1,0 л сточных вод.
Штамм не требователен к источникам азотного питания, наравне с аммиачной селитрой хорошо растет на любых азотсодержащих минеральных солях.
Штамм не требует подачи в культуру углекислого газа.
Оптимальные условия культивирования достигаются как при естественном солнечном освещении, так и при освещении культуры лампами ДРЛФ, в лотках с открытой поверхностью и толщиной слоя суспензии, не превышающей 50 см, или в стеклянных бутылях. Штамм обладает хорошо выраженными планктонными свойствами, т.е. способностью свободного парения и равномерного распределения в культуральной среде.
В процессе культивирования живые клетки практически не осаждаются. В состоянии покоя осаждение клеток начинается через 6-15 дней. Для культивирования штамма механического перемешивания суспензии не требуется.
Живые клетки штамма несут на себе отрицательный заряд, что позволяет использовать метод электрофикации для концентрирования биомассы из культурной среды.
Оптимальная температура культивирования 20-40°С. Хорошо выносит высушивание и замораживание, переносит кратковременный перегрев до 46°С.
Стойкого цикла развития штамма не имеется, клетки в культуре развиваются асинхронно. Режим освещения соответствует естественной солнечной инсоляции, при искусственном освещении лампами ДРЛФ в течение 20-22 ч в сутки. Достаточный минимум освещения 7-10 ч, максимум 16-22 ч. Устойчивое развитие штамма не зависит от сезона года или источника освещения.
Штамм проявляет хорошо выраженные антагонистические свойства к альгофлоре, бактериям, грибам, дрожжам и инфузориям. В течение суток лизируют грибы, дрожжи, водоросли, инфузории. Бактерии гибнут и осаждаются на дно.
Штамм строго соблюдает условия монокультуры и обладает невосприимчивостью к фагам.
Штамм отличается высокой продуктивностью и способностью к очистке различных категорий сточных вод, в том числе промышленных, сельскохозяйственных и бытовых, при этом микроорганизмы полностью подавляются.
Хлорелла может служить в качестве пищевой добавки в корм животных, особенно в виде суспензии (http://www.articles.agronationale.ru/chlorella).
Для производства суспензии хлореллы в промышленных масштабах используются специальные установки - фотобиореакторы. Существует множество разновидностей фотобиореаторов для выращивания микроводорослей, в том числе зеленой водоросли хлорелла. Так, например, фирма AEN Engineering Gmbh & Co. KG производит несколько типов фотобиоректоров (http://www.aen-engineering.ucoz.com/index/oboradovanie_po_mikrovodorosljarn/0-6). Известен фотобиореактор (RU 2451446; МПК A01G 33/00; 27.05.2012) для получения биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов, в частности микроводорослей. Современный уровень развития светодиодной техники и возможность создания на их основе эффективных систем управления освещением позволяют обеспечить многократное снижение затрат электроэнергии при эксплуатации фотобиорекаторов, а также наиболее оптимальный режим освещения для культивирования микроводорослей.
Перечисленные выше свойства микроводоросли Chlorella vulgaris BIN и современный уровень развития технологий ее культивирования в промышленных масштабах позволяют решить проблему экологически безопасной и безотходной переработки послеспиртовой барды.
В качестве прототипа выбрана известная технология переработки барды в сухой кормопродукт (http://www.promstroi21.ru/barda/opisanie), включающая четыре основные стадии. На первой стадии исходная барда из бардоприемника подается на декантерную центрифугу для разделения послеспиртовой барды на жидкую среду (фугат) и дисперсную фазы (дробина). Дробина после центрифуги направляется в сушильные установки роторно-трубчатого типа. Полученный сухой продукт охлаждается и в сыпучем состоянии отправляется потребителям (при необходимости упаковывается). Фугат после центрифуги направляется на установку предварительной очистки. После предварительной очистки фугат направляется на очистные сооружения для полной очистки заводских стоков и фугата до требований для сброса в водоемы культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании способа полной переработки послеспиртовой барды, в возможности получения этим способом богатого биологически активными компонентами, белком и другими макро- и микроэлементами кормового продукта, упрощение технологического процесса переработки барды и снижение энергозатрат.
Технический результат достигается тем, что способ переработки послеспиртовой барды основан на использовании штамма одноклеточной водоросли Chlorella vulgaris BIN. Способ включает разделение барды в декантере на дисперсную фазу (кек) и жидкую среду (фугат), сушку дисперсной фазы с последующим получением кормового продукта и дополнительную обработку жидкой среды в седикантере. На выходе седикантера получают пастообразный кормовой продукт и светлый фильтрат. Светлый фильтрат из седикантера подается для дополнительной переработки в фотобиореактор с планктонным штаммом зеленой водоросли Chlorella vulgaris BIN, где осуществляется наращивание биомассы микроводоросли и получение готового кормового продукта в виде суспензии микроводоросли Chlorella vulgaris BIN.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует способ переработки послеспиртовой барды, где 1 - декантер, 2 - установка сушки дисперсной фазы, 3 - седикантер, 4 - фотобиореактор с микроводорослью Chlorella vulgaris BIN.
Переработка послеспиртовой барды осуществляется следующим образом.
Исходная барда подается в декантер 1. В декантере происходит разделение барды на две составляющие: твердую фазу (кек) и жидкую среду (фугат). Твердая фаза подается в установку для сушки 2, на выходе из которой получают кормовой продукт, а жидкая среда подается в седикантер 3. Седикантер используется для отделения твердой фазы от жидкой среды, когда твердая фаза является очень мелкодисперсной и не может быть отделена в декантере, а образующийся осадок имеет пластичную, текучую консистенцию. На выходах седикантера получают пастообразный кормовой продукт и светлый фильтрат. Светлый фильтрат подают в фотобиореактор 4 с микроводорослью Chlorella vulgaris BIN. В фотобиореакторе осуществляют наращивание биомассы микроводоросли. На выходе фотобиореактора получают кормовой продукт в виде суспензии микроводоросли.
Использование светлого фильтрата в качестве питательной среды для культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris BIN позволяет полностью исключить образование отходов переработки послеспиртовой барды и решить проблему их утилизации.
Суспензию микроводоросли Chlorella vulgaris BIN, полученную в результате дополнительной переработки светлого фильтрата, можно использовать в качестве ценной витаминно-кормовой добавки в рацион скота и птицы (http://www.innosfera.org/node/779).
Относительно простая организация процесса переработки светлого фильтрата в фотобиореакторе и высокая скорость размножения микроводоросли позволяют существенно упростить технологический процесс переработки послеспиртовой барды в целом и значительно снизить энергозатраты.
Способ переработки послеспиртовой барды, включающий разделение барды в декантере на дисперсную фазу и жидкую среду, сушку дисперсной фазы с последующим получением кормового продукта и дополнительную обработку жидкой среды в седикантере, на выходе которого получают пастообразный кормовой продукт и светлый фильтрат, отличающийся тем, что светлый фильтрат из седикантера подают для дополнительной переработки в фотобиореактор с микроводорослью Chlorella vulgaris BIN, где осуществляют наращивание биомассы микроводоросли и получение готового кормового продукта в виде суспензии микроводоросли Chlorella vulgaris BIN.
