Производство этилового спирта

Этиловый спирт (этанол) – это летучий, горючий 1-атомный спирт. В обычных условиях выглядит как прозрачное, не имеющее цвета жидкое вещество, обладающее специфическим резким запахом, жгучее на вкус. Весит этанол меньше, чем вода. Неограниченно растворяется и смешивается с ней в любых пропорциях, а также с бензолом, глицерином, серным эфиром, диметилкетоном, метиловым спиртом, этановой кислотой и трихлорметаном. Это отличный растворитель иных органических веществ.

Поглощает влагу, причем не только из воздуха, но и из живых тканей (растительной и животной природы), разрушая их. В хим. чистом виде проявляет нейтральную реакцию, для пищевого спирта характерна же реакция слабокислая, что объясняется наличием в его составе органических кислот. Этанол и его насыщенные водные растворы легко возгорают и несут опасность взрыва, пары опасны для людей.

Молекулярная масса – 46,069 г/моль, плотность – 0,7893 г/см³. Термосвойства: t плавл. – -114,3 °C, t кип. – 78,4 °C, t вспышки – 13 °C, t самовоспл. – 363 °C, t замерзания – -117 °C. Формула – С₂H₅OH.

Другие названия: метилкарбинол, винный спирт или обобщенно – алкоголь/спирт.

Применение. Это вещество является активным компонентом всевозможных алкогольных напитков (водки, джина, вина, пива, в том числе, бнзалкогольного…). Но поскольку оно – еще и депрессант (психоактивный компонент, который угнетающе действует на ЦНС человека), к употреблению алкоголя следует относиться взвешенно.

К тому же, в пищепроме этанол может быть задействован для растворения пищевых ароматизаторов, как консервирующий компонент для выпечки и кондитерки. Известен как добавка к пище E1510.

Иные варианты использования: в качестве топлива и горючего, растворяющего вещества, наполнителя спиртовых градусников и дезинфектанта/составляющей средств для дезинфекции.

Как топливо (моторное, ракетное, для ДВС, нагревательных и отопительных бытовых устройств, туристических горелок) метилкарбинол может выступать самостоятельно и в совокупности с бензином. Также на его основе производят горючее высокого качества и компоненты бензина.

Хим. отрасль использует данную субстанцию для синтезирования различных соединений (этаналя, этилового эфира, ТЭС, этановой кислоты, метилтрихлорида, этилового эфира этановой кислоты, этена и др.). Она выступает компонентом автомобильных охлаждающих незамерзающих жидкостей и средств для обмывания стекла. Не переоценить ее роль в качестве растворяющего вещества для ЛК-сферы, при изготовлении бытовой химии (чистяще-моющих составов, главным образом, для стекла и сантехники, а также репеллентов) и при выполнении других предназначений.

В мед. сфере этанол также выполняет роль растворителя, а дополнительно экстрагента и антисептического препарата. Наружно он обеззараживает и подсушивает, поэтому им часто обрабатывают инструменты и руки. С его помощью растворяют лекарства, готовят настойки и экстракты, в которых он выступает еще и консервантом. Также в этой отрасли он может служить:

пеногасителем при кислородоподаче, ИВЛ;
составляющей частью компрессов для согрева;
физ. охладителем при высокой температуре тела (массирование);
элементом общего наркоза при недостатке медикаментов;
противоядием от ряда токсинов (карбинола и 1,2-этандиола).

С его участием фиксируют и консервируют биопрепараты.

Растворителем винный спирт выступает и в парфюмерно-косметической сфере. Здесь он является обязательной составляющей духов, туалетных вод, аэрозолей, шампуней, гелей, зубных паст и прочих душистых изделий.

Производство этилового спирта

Производство этилового спирта возможно 2-мя способами: микробиологическим (биохимическим, путем спиртоброжения, сбраживания сахаров дрожжами) и химическим (синтетическим, гидратацией этена). Источниками при первом способе выступают растительные сырьевые компоненты, в структуре которых содержится много углеводов.

В целом, технологический процесс состоит из таких этапов:

подготавливание сырья и средств для сахарения, измельчение;
варение и осахаривание сырьевого состава;
стимуляция функционирования дрожжей;
сбраживание полученного материала;
изъятие спирта из браги с последующим очищением.

Спиртовое брожение – самый давний способ создания этанола, представляющий собой непростую реакцию. Заключается он в воздействии на углеводсодержащие органические продукты дрожжевых (чаще всего, вида Saccharomyces cerevisiae) и бактерийных ферментов. В раствор, который образуется на выходе, входит до 15 % метилкарбинола, поскольку в более концентрированных составах дрожжи теряют жизненные способности. В дальнейшем его очищают и создают большую концентрацию, прибегая к дистилляции. Питательной средой в этом процессе, как правило, выступают обработанные опилки древесины и/или раствор из них.

В промышленных масштабах поэтапное производство выглядит как подготовка сырья + ферментация + брожение + брагоректификация. На выходе имеем не только спирт, но и отходы бродильного процесса (угольный ангидрид, барду, эфироальдегидную фракцию, сивушные масла и спирт). Сам же спирт, полученный в ходе брагоректификации, имеет в своем составе и этанол (до 95,6 %), и воду, и посторонние примеси. От наличия последних зависит категория продукта: Альфа, Люкс, Экстра, базис, высшей очистки, первого сорта.

Гидролизное получение в пром. объемах основано на обработке целлюлозосодержащего сырья, которое изначально поддают гидролизу. Пентозы и гексозы, формирующиеся в процессе, отправляют на спиртоброжение.

Гидратация этилена может осуществляться 2-мя путями:

прямая гидратация при t 300 °C и давлении 7 МПа. Ускорителями могут служить фосфорная кислота, помещенная на силикагель, активированный уголь или горный лен;
гидратация с промежуточным образованием эфира и дальнейшим его сольволизом водой. Осуществляется при t 80-90 °С и давлении 3,5 МПа. Сложность заключается в наличии этилового эфира.

Отдельно хотелось бы акцентировать внимание на таком технологическом моменте, как очистка метилкарбинола. Как уже стало ясно из вышесказанного, какой бы способ ни был применен (брожение или гидратация), в результате получается спиртоводная смесь с примесями, нуждающаяся в очистке. Для этого выполняют фракционную перегонку, дающую на выходе примерно 95,6 % чистого спирта от общей массы. Она избавляет материал от легколетучих и тяжелых фракций органических веществ (кубовый остаток).

Для создания абсолютного спирта, в котором H₂O почти отсутствует, водный бензолсодержащий спирт перегоняют или обрабатывают соединениями, которые вступают в реакцию с H₂O или поглощают ее. Это могут быть негашеная известь или прокаленный медный купорос.

Сырье для изготовления этанола

Данный продукт может быть получен из газов, содержащих этилен, древесины, отходов целлюлозопроизводства. Это технический метилкарбинол, находящий применение в тех. сферах. Из пищевого сырья (виноград, различные плоды, рис, кукуруза и т.д.) создают соответствующий спирт, который может быть задействован не только в пищепроме (виноделие, ликероводочное направление, изготовление консервов и витаминная индустрия), но и в медицине, парфюмерии.

Широкий сырьевой пласт составляют материалы растительной этимологии, в составе которых есть много крахмала (картофель и зерновые культуры), сахара (например, сахарная свекла, тростник) и клетчатки (древесина).

Картофель по праву считается одним из лучших спиртоисточников. Если взять, к примеру, одинаковые посевные площади картофеля и зерновых, то из картофельного сырья крахмала получится в три раза большее количество, следовательно, и спирта будет в более значительных объемах. А ведь еще и сам по себе картофельный крахмал характеризуется большим выходом спирта. В переработку берут технический картофель сортов Остботе, Лохвицкий, Вольтман и др., которые соответствуют ряду требований: высокий процент крахмала в составе, высокоурожайность, устойчивость к болезням и стабильность при хранении.

Зерновые культуры задействуются в двух целях. Прежде всего, из них можно получить солод, с помощью которого необходимо осахаривать крахмал. Также возможна их непосредственная переработка на спирт. Для создания солода подходят, лучшим образом, просо, овес, ячмень, рожь, которые отвечают требованиям по влажности, количеству сора и примесей, ростовой энергии. Для самого же спирта предпочтительными являются, кроме тех же ржи, ячменя, овса и проса, пшеница и кукуруза. Качество этих продуктов, поступающих на производство, не подлежит регламентации. Однако не будет лишним удостовериться в их достаточной крахмалистости.

На хим. состав злаков влияют сорт, почва, в которой они произрастали, климатические условия и прочие факторы. Если усреднить показатели, то сухого вещества в их составе – 85-86 %, воды – 14-15 %, сахаров в зернах – 2-5 %. Что касается количества крахмала, то оно зависит от культуры: в пшенице – это 49-73 %, ржи – 55-73 %, ячмене – 45-68 %, овсе – 24-64 %, кукурузе – 61-83 %, просе – 51-70 %, рисе – 48-68 %.

Меласса – еще один сырьевой компонент, нашедший широкое применение не только в изготовлении спирта, но и дрожжей, и иных продуктов брожения. По своей сути является побочным материалом свеклосахарной отрасли в виде темного коричневого жидкого вещества вязкой консистенции. На хим. состав мелассы влияют качество свеклы и условия ее переработки.

Стоит также помнить, что важным участником всего производственного процесса выступает вода (речная, из прудов, артезианских скважин), и то в больших объемах. От ее качественных характеристик (жесткости, окисляемости, бактериочистоты) не в последнюю очередь зависит конечный исход.

Различают три вида жесткости воды: общую, карбонатную и некарбонатную. Общую обуславливают присутствующие в воде соли кальция и магния, карбонатную – гидрокарбонаты этих же элементов, которые в ходе кипячения воды становятся карбонатами и выпадают в осадок, некарбонатную – хлориды, сульфаты и иные соли Ca и Mg, не трансформирующиеся в осадок. Общая жесткость = карбонатная + некарбонатная.

Окисляемость – это вступление составляющих воды в реакции с окислителями. Выражается числом мг кислорода, нужного для окисления веществ в 1 л H₂O, обозначает степень засорения воды органикой.

Бактериальная чистота определяет полное количество микроорганизмов в 1 мл H₂O и наличие кишечных бактерий.

В целом, вода должна соответствовать требованиям, которые выдвигаются к воде, пригодной для питья. Желательно не брать в применение воду, имеющую значительные временную жесткость и щелочность.

Химия для производства этилового спирта

Как и в любом другом современном промышленном процессе, в производстве этанола часто не обходятся без применения различных хим. соединений. Что и для чего может понадобиться – читайте далее.

Такой этап как гидролиз древесины с дальнейшим брожением предвидит задействование в качестве очистителя дрожжей кислоты: соляной или серной. Соляная кислота дает возможность получить раствор с количеством сахаров до 30 %. Необходимо учитывать, что при таком способе возможно коррозионное влияние на оборудование. Большей популярностью в этом процессе пользуется серная кислота, не имеющая упомянутого негативного воздействия. Кроме того, данные кислоты используют при работе с мелассой для угнетения пагубной микрофлоры и достижения уровнем рН требуемых показателей. Подходящий объем той или другой кислоты – 6-7 кг на 1 т мелассы.

Антисептирование также можно выполнять, задействуя сульфанол (40-150 г на 1 т). Хорошо с этой задачей справляются и такие вещества, как хлорная известь (200-400 г активного хлора на 1 т) и формалин (1 кг на 1 т). При этом применение формалина более актуально при переработке сахара-сырца. Им также с целью дезинфекции обрабатывают элементы оборудования. Что касается хлорной извести, то она, как и кислоты, выступает окислителем спирта и хлорирует его.

Муравьиная кислота – естественный компонент свеклосахарной мелассы, отображающийся на конечном качестве продукта. В составе мелассы ее должно находиться 0,05-1,23 %. Извне применяется аналогично предыдущим веществам в качестве дезинфектанта.

При разведении чистой культуры дрожжей в мелассное сусло рекомендуют вносить питательные соли и другие хим. соединения. Это могут быть карбамид гранулированный (мочевина) в размере 0,1-0,15 % от общей массы, ортофосфорная кислота (0,06 %), диаммонийфосфат (0,06-0,08 %) и сульфат аммония (0,2-0,3 %). Данные вещества находят применение не только в фосфорном и азотистом питании дрожжей, но и при прямой гидратации этилена.

Если есть необходимость получить абсолютный спирт, можно задействовать такой реактив, как сульфат меди, который химически связывает воду. Для этого нужно нагреть состав 96 %-ный спирт + прокаленный сульфат меди. Медь является одним из лучших катализаторов дегидратации этанола.

Когда речь идет об обезвоживании метилкарбинола, применяют и бензол, прежде всего, при задействовании метода азеотропной дистилляции. Изначальная ректификация водно-спиртовой смеси при наличии бензола позволяет убирать тройной азеотроп этанол-бензол-вода с t кипения 64,85 °С, уносящий всю воду системы. Однако ее объемы не должны быть чрезмерными. Поэтому раствор, поступающий на абсолютирование, должен содержать не меньше 80 % маc. спирта. Абсолютный спирт можно получать с применением бензола и в комбинированных аппаратах, непосредственно из бражки.

Производство этилового спирта – несколькоэтапный процесс, требующий соблюдения определенного порядка, наличия соответствующей технической базы, применения качественного сырья и вспомогательных химических веществ. Чтобы результат соответствовал ожиданиям, необходимо подходить к работе со всей ответственностью и знанием дела. Особенно это важно в промышленных масштабах. Тогда получение качественного продукта и экономическая выгода будут обеспечены!

Разновидности (марки и сорта) этилового спирта, показатели их качества

Если вы ранее думали, что словом «этанол» обозначается исключительно один продукт, применяемый в разных направлениях и имеющий неизменные свойства и характеристики, спешим вас в этом разубедить. Данный продукт может иметь разные сорта, принадлежать к той или иной марке, применение которой актуально в определенных целях. То, что хорошо в одном сегменте, не всегда вариант для другого или вообще может быть где-то запрещено для применения. Давайте же выясним, что к чему.

Прежде всего, стадия производства определяет наличие таких видов спиртов:

сырец. Метод получения – перегонка сбродившего сырья. Это классическая самогонка, крепость которой составляет примерно 88 %. В составе присутствует немало сивушных масел и прочих включений;
ректификат. Очищенный (подвергшийся ректификации) спирт-сырец с минимальной концентрацией вредных компонентов. Доля основного вещества – до 96 %;
питьевой. Задействуется для создания алкоголя и фармацевтической продукции. Пить чистым не рекомендовано, поскольку, скорее всего, будут обожжены слизистые оболочки. Производственный процесс данной разновидности предвидит разведение дистиллированной водой до обеспечения крепости 95 %. Разведенный определенным способом ректифицированный этанол (мед. спирт) считается образцом в плане чистоты.

Сорта спирта, различаемые по сырьевому материалу:

винный (фруктовый). Производится чаще всего из винограда, иногда – из яблок, слив и агавы. Выступает преимущественно базой для бренди и коньяка;
зерновой. Популярное сырье – пшеница, рожь, ячмень, кукуруза. Задействуется для готовки виски;
картофельный. Поскольку имеет в структуре немало вредоносных составляющих, в том числе синильную кислоту, запрещен для изготовления алкогольных напитков.

Каждый из вышеуказанных сортов наречь спиртом выходит с некой натяжкой, поскольку они не поддаются ректификации. Для улучшения качественных показателей задействуется многоэтапное дистиллирование, плюс реализуется фракционное разделение.

Кроме того, различают спирт этиловый технический марок А и Б. Хотя оба варианта выглядят как бесцветные жидкости без посторонних примесей, отличия между ними все-таки существуют. Марка А – это продукт, вырабатываемый из гидролизных субстратов, с концентрацией этанола не менее 95 %, тогда как в марке Б допустимо 94 % и производится она из щелоков сульфитно-целлюлозного производства. Еще в первом варианте, по сравнению со вторым, меньше содержание кислот, сложных эфиров и альдегидов, сивушного масла и сухого остатка. Такой компонент, как фурфурол, в марке А вообще отсутствует (в Б его объем может составлять до 5 мг/дм³), а концентрацию серы в ней не определяют (в Б допустимо до 10 мг/дм³).

Спирт этиловый ректификованный, в соответствии с ТУ, бывает следующих марок:

первого сорта. Объемная доля ЭС составляет не меньше 96 %. Концентрация сухого остатка и щелочи – до 15 мг/дм³. Алкогольную продукцию из такого материала не производят. Источники: меласса, свекла, совокупность картофель + зерно или все перечисленное вместе в разных соотношениях;
высшей очистки. Чистота – 96,2 %. Популярный в пищепроме продукт. Массовая концентрация сухого остатка, альдегидов и сивушного масла в безводном спирте – до 4 мг/дм³, кислот – до 15 мг/дм³, эстеров – до 30 мг/дм³. Изготавливается из того же сырья, что и первый сорт;
«Экстра». Основного вещества – не меньше 96,2 %. Альдегидов и сивушного масла – по аналогии с предыдущим пунктом, сухого остатка – до 2 мг/дм³, кислот – до 10 мг/дм³, эстеров – до 25 мг/дм³. Популярная основа для среднеуровневых водок. Еще это единственная марка спирта, используемая в электронной промышленности. Чаще всего выделяется из картофельно-зерновой смеси, реже – из чистого зерна. В осахариваемом сырье при этом крахмал не может составлять более 60 %;
«Базис». Сырье – различные пропорции зерна и картофеля (картофельного крахмала – не более 60 %). Задействуется аналогично для получения водки среднеценового сегмента. Количество ЭС – от 96 %;
«Люкс». Источники – все те же совокупности зерна и картофеля, но с составом крахмала, не превышающим показатель 35 %. Характерная особенность производственного процесса – несколькоступенчатая фильтрация. Минимальная крепость – 96,3 %. Материал для выпуска премиум-водки;
«Альфа». Спирт, производимый только из зерновых (пшеницы, ржи либо их сочетания), со значительной степенью очищения, а поэтому с наименьшим объемом включений и сивушных масел. Чистота – 96,3 % и выше. Предназначение – для изготовления алкоголя супер-премиум-класса (самых дорогих из существующих водок). Синоним ЭС «Альфа» – спирт 5-го поколения.

В свете рассматриваемой темы хотим вкратце описать еще несколько разновидностей этанола:

гидролизный спирт. Также именуется целлюлозным этанолом. Может применяться в составе бензина для всех современных бензиновых автомобилей. Производится путем задействования различных технологий гидролиза целлюлозы из отходов лесной промышленности. Одна тонна древесины – источник до 200 литров этанола. Такие же объемы продукта можно получить из 1,5 тонны картофеля или 0,7 тонн зерна. Часть вариантов гидролиза предусматривает создание этаноло-метанольных комплексов;
промышленный этанол. Продукт пром. и тех. предназначения (может служить растворяющим средством, топливом и т.д.). Крепость – 96,5 %. Для облегчения визуальной идентификации окрашивается с помощью метилового фиолетового, для исключения употребления компонируется с нехорошо пахнущими соединениями, к примеру, с 0,5-1 % пиридина;
денатурированный спирт. Техпродукт, концентрация ЭС в котором составляет 88 %. Объем примесей – значительный. Применение сосредотачивается на освещении, обогреве, парфюмерных, лабораторных и промышленных нуждах. Источники – спиртовые отходы производства с добавлением денатурантов и красителя (окрас – характерный);
качественный алкоголь (96-96,5 %). Прошедший очистку этиловый спирт, удовлетворяющий фармацевтические потребности, применяемый при изготовлении косметики и в пищевом сегменте;
абсолютный (абсолютированный) этанол. Количество основного вещества – 99,7-99,8 %. Мега чистый продукт, применение которого актуально в фармацевтике и при создании аэрозолей. В его составе практически отсутствует вода. Кипение наступает при t 78,39 °C (для сравнения: спирт-ректификат кипит при 78,15 °C). Получение выглядит, в основном, как перегонка водного спирта.

Рассматривая производство этанола и его разновидности, нельзя пройти мимо такого понятия, как фракция главная этилового спирта (ФГЭС). Ее формирование происходит при создании этилового ректификованного спирта из пищевого сырья (из мелассы или содержащего крахмал), далее перерабатывающегося для получения спирта-ректификата высшей степени очистки или реализации технических целей. Главная фракция – это прозрачный жидкий материал без посторонних примесей. Возможно наличие желтоватого/зеленоватого оттенка. Запах – как у эфиров и альдегидов. Объем этанола в ней не может быть менее 92 %.

А знаете ли вы, что такое компонент моторного топлива альтернативный на основе этилового спирта (КМТА)? Это материал, содержащий 98 % ЭС и 0,2 % воды, призванный повышать октановое число топлива. Иными словами, это высокооктановая добавка, необходимая для изготовления альтернативных моторных топлив. Кроме того, может служить растворителем и обезжиривателем. Выпускается в форме прозрачной, возможно с желтоватым оттенком, жидкости однородной структуры. С течением времени не становится мутной, не поддается цветовым изменениям под солнечным воздействием, не расслаивается и не обзаводится осадком.

Используется этанол и как основоположная часть высокооктановых кислородосодержащих добавок к бензинам (ВКД). Благодаря ему расширяются топливные ресурсы и повышается качественный уровень. Бензин, дополненный оксигенатом, имеет улучшенные моющие качества и параметры горения, а сгорая, образует меньшие объемы углеводородов и угарного газа. Этанол в качестве такой добавки примечателен сниженной гигроскопичностью и лучшим растворением в углеводородах.

Остались вопросы относительно производства этанола и использования химических веществ в этом процессе? Обращайтесь! Наши квалифицированные сотрудники помогут вам получить на них основательные ответы!