Пошук

Виробництво етилового спирту

Химия для производства этилового спирта

Етиловий спирт (етанол) – це леткий, горючий одноатомний спирт. У звичайних умовах виглядає як прозора безбарвна рідка речовина, що має різкий специфічний запах і гірко-пекучий смак. Важить етанол менше, ніж вода. Необмежено розчиняється і змішується з нею в будь-яких пропорціях, а також змішування відбувається з бензолом, гліцерином, сірчаним ефіром, диметилкетоном, метиловим спиртом, оцтовою кислотою і трихлорметаном. Це чудовий розчинник інших органічних речовин.

Поглинає вологу, причому не тільки з повітря, але і з живих тканин (рослинної та тваринної природи), руйнуючи їх. У хімічно чистому вигляді проявляє нейтральну реакцію, для харчового спирту характерною є реакція слабокисла, що пояснюється наявністю в його складі органічних кислот. Етанол і його насичені водні розчини легкозаймисті й несуть небезпеку вибуху, пари небезпечні для людей.

Молярна маса – 46,069 г/моль, густина – 0,7893 г/см3. Термовластивості: t плавлення – -114,3 °C, t кипіння – 78,4 °C, t спалаху – 13 °C, t самозаймання – 363 °C, t замерзання – -117 °C. Формула – С2H5OH.

Інші назви: метилкарбінол, винний спирт або узагальнено – алкоголь/спирт.

Застосування. Ця речовина є активним компонентом різноманітних алкогольних напоїв (горілки, джину, вина, пива, зокрема, й безалкогольного, хоч і в незначній кількості…). Але оскільки вона – ще і депресант (психоактивний компонент, який гнітюче діє на центральну нервову систему людини), до вживання алкоголю слід ставитися виважено.

Крім того, в харчовій промисловості етанол може бути задіяний для розчинення харчових ароматизаторів, як консервант хлібобулочних виробів та кондитерки. Відомий як добавка до їжі E1510.

Інші варіанти застосування: у ролі пального та палива, розчинника, наповнювача спиртових термометрів і дезінфектанта/складника засобів для дезінфекції.

Як пальне (моторне, ракетне, для двигунів внутрішнього згоряння, нагрівальних приладів, туристичних пальників) метилкарбінол може виступати самостійно і спільно з бензином. Також на його основі виготовляють паливо високої якості та компоненти бензину.

Хімічна галузь використовує цю субстанцію для синтезу різних сполук (етану, сірчаного ефіру, тетраетилсвинцю, оцтової кислоти, метилтрихлориду, етилового ефіру оцтової кислоти, етену та ін.). Вона входить до складу автомобільних охолоджувальних незамерзаючих рідин та засобів для омивання скла. Не переоцінити її значення як розчинника для лакофарбової сфери, при виготовленні побутової хімії (чистильно-мийних засобів, особливо для скла та сантехніки, а також репелентів) й при виконанні інших призначень.

У медицині етанол також застосовують як розчинник, але, крім того, як екстрагент та антисептичний засіб. При зовнішньому нанесенні він знезаражує і підсушує, тому ним часто обробляють інструменти і руки. З його допомогою розчиняють ліки, готують настоянки та екстракти, в яких він виступає ще й консервантом. Також у цій галузі він може служити:

– піногасником при подачі кисню, штучній вентиляції легенів;

– компонентом зігрівальних компресів;

– фізичним охолоджувачем при високій температурі тіла (розтирання);

– елементом загальної анестезії при нестачі медикаментів;

– протиотрутою від деяких токсинів (метанолу та етиленгліколю).

З його участю фіксують і консервують біопрепарати.

Розчинником етиловий спирт виступає і в парфюмерно-косметичній сфері. Тут він входить до складу парфумів, одеколонів, туалетної води, аерозолів, шампунів, гелів для душу, зубних паст та іншої пахучої продукції.

Виробництво етилового спирту

Виробництво етилового спирту можливе двома способами: мікробіологічним (біохімічним, шляхом спиртового бродіння, зброджування цукрів дріжджами) і хімічним (синтетичним, гідратацією етилену). Джерелами в першому випадку виступають рослинні сировинні компоненти, в складі яких міститься багато вуглеводів.

На загал, технологічний процес складається з таких етапів:

– підготовка сировини і матеріалів для оцукрювання, подрібнення матеріалу;

– розварювання та оцукрювання сировинного складу;

– культивування дріжджів;

– зброджування отриманої маси;

– вилучення спирту з бражки з наступним очищенням.

Спиртове бродіння – найдавніший спосіб виробництва етилового спирту у вигляді складної реакції. Полягає він у впливі на вуглеводовмісні органічні продукти дріжджових (найчастіше, виду Saccharomyces cerevisiae) та бактерійних ферментів. У розчин, який отримується на виході, входить до 15 % етанолу, оскільки в більш насичених консистенціях дріжджі втрачають життєві здібності. Надалі його очищують і створюють велику концентрацію, вдаючись до дистиляції. Поживним середовищем у цьому процесі, як правило, виступає оброблена деревна тирса та/або розчин з неї.

У промислових масштабах поетапне виробництво виглядає як підготовка сировини + ферментація + бродіння + брагоректифікація. На виході маємо не тільки спирт, а й відходи бродильного процесу (вуглекислий газ, барду, ефіроальдегідну фракцію, сивушний спирт і сивушні олії). Сам же спирт, отриманий під час брагоректифікації, містить і етанол (до 95,6 %), і воду, і сторонні домішки. Від наявності останніх залежить категорія продукту: Альфа, Люкс, Екстра, базис, вищого очищення, першого гатунку.

Гідролізне отримання в промислових масштабах основане на обробці целюлозовмісної сировини, яку спочатку піддають гідролізу. Пентози і гексози, що формуються при цьому, відправляють на спиртове бродіння.

Гідратація етилену може здійснюватися двома шляхами:

– пряма гідратація при t 300 °C і тиску 7 МПа. Каталізаторами можуть слугувати ортофосфорна кислота, поміщена на силікагель, активоване вугілля або азбест;

– гідратація з проміжним утворенням ефіру і подальшим його гідролізом. Здійснюється при t 80-90 °С і тиску 3,5 МПа. Складність полягає в присутності сірчаного ефіру.

Окремо хотілося б акцентувати увагу на такому технологічному моменті, як очищення метилкарбінолу. Як вже стало ясно зі сказаного вище, який би спосіб не був застосований (бродіння або гідратація), в результаті виходить спирто-водна суміш з домішками, що потребує очищення. Для цього виконують фракційний відгін, що дає на виході приблизно 95,6 % чистого спирту від загальної маси. Вона позбавляє матеріал від легколетких і важких фракцій органічних речовин (кубовий залишок).

Для отримання абсолютного спирту, в якому вода майже відсутня, водний спирт, що містить бензол, відганяють або обробляють сполуками, які вступають у реакцію з водою або поглинають її. Це можуть бути негашене вапно або прожарений мідний купорос.

Сировина для виготовлення етанолу

Цей продукт можна отримати з газів, що містять етилен, деревини, відходів целюлозного виробництва. Це технічний етиловий спирт, який знаходить застосування в технічних сферах. З харчової сировини (виноград, різні плоди, рис, кукурудза та ін.) створюють харчовий спирт, який може бути задіяний не тільки в харчопромі (виноробство, лікеро-горілчаний напрямок, виготовлення консервів та вітамінна індустрія), але й в медицині, парфумерії.

Широкий сировинний пласт складають матеріали рослинної етимології, в складі яких є багато крохмалю (картопля та зернові культури), цукру (наприклад, цукровий буряк, тростина) і клітковини (деревина).

Картопля правомірно вважається одним з найкращих спиртових джерел. Якщо взяти, наприклад, однакові посівні площі картоплі та зернових, то з картопляної сировини крохмалю вийде втричі більше, а отже, і спирту буде більше. А ще ж і сам по собі картопляний крохмаль характеризується високим виходом спирту. У переробку беруть технічну картоплю сортів Остботе, Лохвицький, Вольтман та ін., які відповідають низці вимог: високий відсоток крохмалю в складі, висока врожайність, стійкість до хвороб і стабільність при зберіганні.

Зернові культури задіюються в двох цілях. Перш за все, з них можна отримати солод, за допомогою якого необхідно оцукрювати крохмаль. Також можлива їх безпосередня переробка на спирт. Для створення солоду якнайкраще підходять просо, овес, ячмінь, жито, які відповідають вимогам стосовно вологості, кількості забруднень та домішок, енергії проростання. Для самого ж спирту кращими є, крім тих же жита, ячменю, вівса і проса, пшениця й кукурудза. Якість цих продуктів, що надходять на виробництво, не підлягає регламентації. Однак не буде зайвим переконатися в їх достатній крохмалистості.

На хімічний склад злаків впливають сорт, ґрунт, в якому вони росли, кліматичні умови та інші фактори. Якщо усереднити показники, то сухої речовини в їхньому складі міститься приблизно 85-86 %, води – 14-15 %, цукрів у зернах – 2-5 %. Що стосується кількості крохмалю, то вона залежить від культури: в пшениці – це 49-73 %, житі – 55-73 %, ячмені – 45-68 %, вівсі – 24-64 %, кукурудзі – 61-83 %, просі – 51-70 %, рисі – 48-68 %.

Меляса – ще один сировинний компонент, який знайшов широке застосування не тільки у виготовленні спирту, а й дріжджів та інших продуктів бродіння. За своєю суттю є побічним матеріалом бурякоцукрової галузі у вигляді темної коричневої рідкої речовини в’язкої консистенції. На хім. склад меляси впливають якість буряка і умови його переробки.

Варто також пам’ятати, що важливим учасником всього виробничого процесу виступає вода (річкова, зі ставків, артезіанських свердловин), притому у великих обсягах. Від її якісних характеристик (твердості, окислюваності, бактерійної чистоти) не в останню чергу залежить кінцевий результат.

Розрізняють три види твердості води: загальну, карбонатну і некарбонатну. Загальну обумовлюють присутні у воді солі кальцію та магнію, карбонатну – гідрокарбонати цих же елементів, які під час кип’ятіння води стають карбонатами і випадають в осад, некарбонатну – хлориди, сульфати та інші солі Ca і Mg, що не трансформуються в осад. Загальна твердість = карбонатна + некарбонатна.

Окислюваність – це реагування складників води з окислювачами. Виражається числом мг кисню, потрібного для окислення речовин в 1 л води, позначає ступінь забруднення води органікою.

Бактеріальна чистота визначає загальну кількість мікроорганізмів в 1 мл води і наявність кишкових бактерій.

На загал, вода повинна відповідати вимогам, які висуваються до питної води. Бажано не брати до застосування воду, що має високу карбонатну твердість та лужність.

Хімія для виробництва етилового спирту

Як і в будь-якому іншому сучасному промисловому процесі, у виробництві етанолу часто не обходяться без застосування різних хімічних речовин. Що і для чого може знадобитися – читайте далі.

Такий виробничий етап як гідроліз деревини з подальшим бродінням передбачає задіяння в якості очищувача дріжджів кислоти: соляної або сірчаної. Соляна кислота дає можливість отримати розчин з кількістю цукрів до 30 %. Необхідно враховувати, що при такому способі високоймовірне вчинення корозійного впливу на обладнання. Більшою популярністю в цьому процесі користується сульфатна кислота, яка не має згаданого негативного впливу. Крім того, ці кислоти застосовують при роботі з мелясою для придушення згубної мікрофлори і доведення рівня рН до необхідного значення. Оптимальний обсяг тієї або іншої кислоти – 6-7 кг на 1 т меляси.

Антисептування також можна виконувати, задіюючи сульфанол (40-150 г на 1 т). Добре з цим завданням упораються і такі речовини, як хлорне вапно (200-400 г активного хлору на 1 т) і формалін (1 кг на 1 т). При цьому застосування формаліну більш актуальне при переробці цукру-сирцю. Ним також з метою дезінфекції обробляють елементи обладнання. Що стосується хлорного вапна, то воно, як і кислоти, виступає окислювачем спирту і хлорує його.

Мурашина кислота – природний компонент бурякоцукрової меляси, що відбивається на кінцевій якості продукту. У складі меляси її має бути 0,05-1,23 %. Ззовні застосовується аналогічно до попередніх речовин як засіб для дезінфекції.

При розведенні чистої культури дріжджів у мелясне сусло рекомендують вносити поживні солі та інші хім. сполуки. Це можуть бути карбамід гранульований (сечовина) в розмірі 0,1-0,15 % від загальної маси, ортофосфорна кислота (0,06 %), діамонійфосфат (0,06-0,08 %) і сульфат амонію (0,2-0,3 %). Зазначені речовини знаходять застосування не тільки у фосфорному і азотистому живленні дріжджів, але й при прямій гідратації етилену.

Якщо є необхідність отримати абсолютний спирт, можна використати такий реактив, як сульфат міді, який хімічно зв’язує воду. Для цього потрібно нагріти суміш 96 %-й спирт + прожарений сульфат міді. Мідь є одним з найкращих каталізаторів дегідратації етанолу.

Коли мова йде про зневоднення етилового спирту, застосовують і бензол, передусім, при роботі по азеотропному методу. Початкова ректифікація водно-спиртової суміші при наявності бензолу дозволяє прибирати потрійний азеотроп етанол-бензол-вода з t кипіння 64,85 °С, що забирає всю воду зі системи. Однак її обсяги не повинні бути надмірними. Тому розчин, що надходить на абсолютування, повинен містити не менше 80 % маc. спирту. Абсолютний спирт можна одержувати із застосуванням бензолу і в комбінованих апаратах, безпосередньо з бражки.

Виробництво етилового спирту – кількаетапний процес, що вимагає дотримання певного порядку, наявності відповідної технічної бази, застосування якісної сировини та допоміжних хімічних речовин. Щоб результат відповідав очікуванням, необхідно підходити до роботи з усією відповідальністю і зі знанням справи. Особливо це важливо в промислових масштабах. Тоді отримання якісного продукту і економічна вигода будуть забезпечені!

Залишилися питання стосовно виробництва етанолу та використання хімічних речовин у цьому процесі? Звертайтеся! Наші кваліфіковані працівники допоможуть вам отримати на них ґрунтовні відповіді!

Поширити



Напишіть відгук

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *