автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация процесса массообмена в дрожжерастильных аппаратах

МЛ ~ П П ^

и» Г1 "

С&НКТ-ПЕГЕРБПТСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРаШИШЕННОСП!

На правах рукописи

АНИСИМОВ Сергей Александрович

УЖ 663.14.Ш2 (088.8)

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА МАССООВДЕНА В ДРаЗНЕРАСШЬШЯ АППАРАТАХ

Спациалы.ость 05.18.12 - процессы, машяа и

агрегаты пищевой промьшлзяйосга

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой огеп&ни кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

щхничесних наук, профессор Тишн ЬгчеславТюрйсоЯ

доктор технических наук, профессор Богатых Семен Александрович

кандидат, технических наук, ст.и.о. Ябдокова Марина Александровна

Ведущее предприятие : Всесоюзный научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии

Защита состоится 1л.1А>и£1 1992 г. Е "Л"' часов на

заседании специализированного Совета Д 063.02 .02 при Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности.

Ьаш оташз (в двух экземплярах), заверенный печатью, просим каправлять ао адресу: 191002, г. С.-Петербург, ул. Ломоносова, 9, специализированный Совет С1ГОШ1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " _1992 г.

Учений секретарь специализированного Совета, У

к.т.н., доцент Ю.Г.Стегалачев

Подписано к печати 30.04,92. Формат 60x84 I/I6. Бум.писчая. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Тираж ICO экз. Заказ 383. Бесплатно.

Иьлое предприятие "ТеплоКон" Санкт-Петербургского ордена Трудового Красного Знамен! технологического института холодильной промышленности. 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова,9

;><

<; | ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Актуальность работы. Успешное решение проблемы снабжения населения высококачественными продуктами питания требует скорейшего технического переоснащения пищевых производств, внедрения эффективных технологических процессов, высокопроизводительного и экономичного оборудования. Реализация этих мер возможна только на базе новых научных разработок в области техники и технологии.

Значительное число технологических процессов в пищевой, микробиологической и ряде других отраслей промышленности связано с абсорбцией газа различными жидкостями. Особое значение эти процессы имеют при аэробном биосинтеза микроорганизмов а, в частности, при получении хлебопекарных дрожжей. В указанном производстве основные качественные и количественные показатели готовой продукции главным образом определяются эффективностью стадии культивирования микроорганизмов, которая в свою очередь зависит от возможностей аппарата обеспечивать снабжение растущей популяции кислородом, его экономичности. В последнее время область применения дрожжей существенно расширилась в направлении получения на их основе аминокислот, витаминов, препаратов дал медицинской промышленности, ценных кормовых продуктов а других биологически активных веществ. В то же время низкие абсорбционные возможности применяемых ферментатороЕ сдерживают разработку и внедрение новых технологий, не позволяют увеличить концентрации культуральных сред более чем до 30 * 40 кг АСБ/м3, повысить эффективность процесса Еыращюэания . дрожжей, снизать затраты дефицитного сырья.-

Таким образом возникает необходимость в создании нового ферментационного оборудования, позволяющего интенсифицировать массопереноо и использовать при получении дрожжей новые прогрессивные технологии. Для решения указанной проблемы требуется разработка научных основ расчета процессов переноса Еещества в ферментаторах на базе теоретических и экспериментальных исследований. В связи с этим бшш сформулированы цели исследования.

Цели и задачи исследования.. Целью данной работы является интенсификация массообмена при культивировании дрожжей за счет лрдаенвш« новых конструкций ферментаторов струйно-инжекционного типа, дозволяющих проводить процесс биосинтеза в высохокондентрированных средах; разработка научных основ расчета массопереноса в этих аппаратах.

Ли реализации намеченной цели потребовалось решение следующих задач:

- теоретически исследовать и математически описать процессы фор-

чарования поверхности контакта фаз (ПКФ) и переноса через нее веще с тез в турбулентном газокидкостнои 'потоке;

•гепзмментальныэ исследования масоопереноса в струйно--инкекдаонном ферлентаторе

- изучить кинетику роста дрожжей в СИФ при высоких концёнтх биомассы;

- оценить скорость переноса кислорода обеспечиваемую СМФ в реальном процессе биосинтеза;

- определить плотности а коэффициенты вязкости суспензий дрожкей и культуральных жидкостей при различных концентрациях биомассы.

. Научная новизна. Впервые описание продессов формирования мекфаз-ной поверхности и переноса через нее Ее щестеа в газожидаостных смесях выполнено на основе представления диоперсной газовой, фазы и окружающего ее турбулентного потока вязкой кидкости как колебательной системы.

Аналитически установлены закономерности пульсационных движений поверхности пузырька, учитывающие вязкость среды. Определен параметр, характеризующий их влияние на затухание турбулентности в пограничном слое. Выполненное с его учетом описание масоопереноса отражает переменное влияние физических свойств системы на поверхностный коэффициент ыассоогдачи.

Показано, что под воздействием турбулентных пульсаций среды в га-зожвдкостном потоке могут образовываться пузырьки различных размеров. Найдены зависимости для их оценки.

Экспериментально определены: удельная поверхность контакта фаз (УПКф), объемный и поверхностный коэффициенты массоотдачи в СИЗ) при ' рааличных режимах его работы. Проведана проверка аналитически полученных зависимостей и найдены значения коэффициентов пропорциональности е них дая указанного ферментатора, а также барботажного и газлифт ног о аппаратов.

Определены удельные скорости роста клеточной массь и продуктивности процесса культивирования дрожжей в СИФ при высоких концентрациях сред ( С АСБ до 110 кг/м3).

Оценены'абсорбционные возможности ферментатора при биосинтезе для различных режимов его работы и получзно значение коэффициента увеличения скорости растворения кислорода при переходе от модельной системы (раствор сульфита натрия-воздух) к реальным условиям культивирования.

Установлено, что до концентрации примерло 150 кг АСБ/м3 культураль ные среда и суспензии дрожжей проявляют ньютоновские свойства. Получены уравнения для расчета их плотностей а коэффициентов еязкости в

зависимости от концентрации биомассы.

Практическая ценьость и реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований составили основу методики расчета струйно-инжекционного ферментатора. Предложены принципиально новые высокоинтенсивнье конструкции аппаратов для выращивания микроорганизмов U.c. № 1537158, lè 1^0965^, № 157 6 556) и устройства для разрушения пени в них (.A.c. № 13461Ь7). Методики расчета и комплекты зехнической документации на струйно-интекциояные ферментаторы переданы предприятию "Райселькорм" г. Старая Русса л Ленинградскому дрожжевому заводу. Изготовленные по ним аппараты*при предварйтельнчх испытаниях показали работоспособность к эффективность. Экономический эффект от внедрения одного ферментатора объемом 30 к составит 41 тыс.руо. в год (.в ценах 1990 года).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзных научно-технических конференциях: "Разработка и совершенствование технологических процессов,машин и оборудования для производства, хранения и транспортирования продуктов питания." ЛИ.'П, .Москва, 1967г., "Биотехника-09", Грозный, 1569г., " Холод - народному хозяйству", ХТЙХГ1, Ленинград, 1991г., а также на научно-технических контерет'иях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ИИХИ (I986-I99I гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ и 4 авторских свидетельства.

Обгам и структура работы, диссертация состоит из введения,четырех глав,основных результатов работы;изложена на lk'E стр.машинописного текста; кроме того .включает список литературы из ПЬ наименований, в том числе 92 иностранных,31 рисунок, 10 таблиц и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДШЛКИЕ ДМССША1Ш

1. Анализ современного состояния проблемы

Продуктивность и экономичность процесса культивирования микроорганизмов прямо зависит от возможностей ферментатора обеспечивать потребности растущей биомассы кислородом. В установившемся по абсорбции режиме,который может быть принят практически для всего периода ви-рршивания дрожжей, эта зависимость выражается уравнением материального баланса a0lII~ClotjuCJscS*'ßma}KACi)<t CI), где а„г -кооф-ц-ициеит, характеризующий количество кислорода,необходимое для получения I кг АСБ. Ü данном случае основное сопротивление переносу кислорода оказывается при переходе от поверхности пузырьке в культураль-ную среду, что позволяет с достаточной точностью использовать в

-ь-

уравнешш С1) вместо коэффициента массопередачи величину Дв .

Повышение абсорбционных характеристик ферментатора дает возмож--цоцс£_увединить продуктивность процесса культивирования в основном за счет повышения С обеся&чвв-ара^адом экономное расходование сырья. На основе анализа литературных данных определены пути йнтаи=— сификацви мйссопереноса при биосинтезе. Длл этой цели предложены новые конструкции струйно-инжекдаэнных ферментаторов (СИ9), позволяющие проводить нцращдЕание дрожжей в высококонцвнтрированных средах ( С АСБ До НО кгД13), когда потребности популяции в кислороде ецсо1си. Определены вопросы требующие изучения'и сформулированы задачи исследований.

2. Массоперенос ц удельная поверхность контакта фаз в газожидкостных системах

В соответствии с современными представлениям граница раздела фаз в газовдцкостном потоке подвижна и, в отличие от твердой стешш, на ней могут возникать пульсациоиные движения, которые оказывают существенное влияние на гидродинамическую картину у этой поверхности. При описании переноса массы указанные деформации ГКО должны быть учтены. Решение этой задачи осуществлялось на основе представления дисперсной фазц и окрукающего ее турбулентного потока жидкости как колебательной сна те;: и. Такой подход позволил также аналитически определить диаметр пузырька, образующегося в газоаидкостной смеси.

Массоперенос в система газ-жидкость описывался о помощью уравнения "переноса вещества в турбулентном пограничном слое, реке те которого позволяет определить Да как отношение

и* _

где 1рт - средняя безразмерная разность между концентрациями вещества у границы раздела фаз д в турбулентном ядре потока; и Т]шт-[- 'у}*— соответственно безразмерные расстояние и максимальный масштаб турбулентности; . Для выражения функции Д/у использовался метод аналогии, в соответствии с которым - ^гД, (з). В общем случае, когда гидродинамическая картина потока осложняется деформациями ¡КФ, закон изменения турбулентной вязгсости в пограничной слое мокко описать уравнением Кинга Ъ/у - ) (4), где ( - параметр, характеризующий пульсации ПК«. Функция Р(Ъ/у) определяет изменения турбулентной вязкости у кедефармируеыой поверхности и задавалась уравнением Бан Драйста .

ГШ -0,5 ((41 *0№ц1 и-ехр (- Ч/я))* У) - ' С5>

ииотнишении Чй/

•г+о.5(1+(тщг(1-вср {-Щ)1)") ■

Тогда в соотношении (2)

Ь-ь.

V у » (- \ ""И / / « ^^

Параметр f , требугацай определения, может быть выражен через'отклонения п^г арности контакта фаз от положения равновесия как

V ' Ж V где игр и ¡¡ф - соответственно ско-

рость и масштаб пульсаций указанной поверхности. Тогда задача определения / сводится к установлению закономерностей пульсацпонных движений ПКФ.

В данной работе предлагается модель деформаций пузырька (рас. I), колебания поверхности которого возникают под воздействием турбулентных

пульсаций потока и затухают в результате диссипации 'энергии в вязкой среде. Рассмотрим физическую картину происходящих при этом явлений. В начальный момент времени масса жидкости,переносимая с пульсационной скоростью V, ударяясь о поверхность пузырька, деформирует ее до тех пор пока кинетическая энергия жидкости не станет равной нулю, а потенциальная энергия поверхностного слоя - максимальной. Б этом положеная радиус деформированной честя пузырька • Затем, под действием сил поверхностного натяжения, ПКФ стремится принять равновесную форму и перемещения осуществляются в обратном направлении. В жидкости, вовлечённой в движение, возникают силы инерции,благодаря которым указанный участок поверхности пузырька лрохсдит положение рдЕНОвеслч л снова под действием сил поверхностного натяжения стремится вернуться в него. Перемещения ПКФ сопровождаются проявлением сил сопротивления, обусловленных вязкостью среды. До' следующего воздействия со сгороня турбулентного поля потока жидкости участок поверхности пузырька осуществляет свободные затухающие колебания. При последующих возмущениях ПК<5 процесс повторяется. Такое представление мзханизка деформаций пузырька позволяет учесть воздействие турбулентных пульсаций на ПКФ в начальных условиях и свести задачу к решению уравнения свободных колебаний круглой мембраны ь среде с сопротивлением, которое в полярно* коор-

и;

нипатах им%ет вид ^

_WA\dra + г' дг г* д@Ч м д1 '

Начальные и граничные условия задавались следующим oOpaauu. ирцпц--

малось, что при перемещении ГШ, точки лежащие на окружности Г=/? остаются неподвижными, т.е. У\г.я"0 (&); начальной кривиз-

ной поверхности пузырька пренебрегал ось и У|40 'О (Ю); допускалось, что скорость движения точек ИКФ в начальный момент времени определяется пульсационной скоростью жидкости и ~jjf-lt,g (И).

Решение уравнения (8) с граничными и начальными условиями (У)+(И) осуществлялось методом Фурье. При этом учитывалось, что колебания осесиыметричные и отклонения ШФ не зависят от угла 0 , т.е. д*У/ддг*0 (12). Ь результате получено

У (г. Ё («• Sinft I) Oa{ff) . (13)

В соответствии с начальными условиями найдено (Js'0 ;

J0 (tff) - функция Бесселя первого рода нулевого порядка, jua- ее корна; J,(f1*) - значения функции Ьесселя нервого рода первого порядка; я =1,2,3... .

Полагая, что при колебаниях ПКФ неподвижной (узловой) остается только окружность r~R , т.е. я = I и ¡иа = 2,4 после подстановки аа и вычисленного при этих условиях За в соотношение (13) получим

YM-lf^t jJML) Ш1. „ . ,„,

Откуда, учитывая (7) найдем

vii-f'-'^-t'^m

' f-'-0^e"{q,iu,2q,l+Sm2qtl S)}'.^) . Ц7)

Зависимость (17) выражает закон изменения параметра / в зависимости от времени t и положения г . При изучении процессов массопере-носа определяется среднее значение , поэтому в у pa е псине (6) должна еходить средняя величина f , которую находили как среднее интегральное функции /- f(r,i) в пределах от t = 0 до § = tT и от г = 0 до Г = R . Величина tT характеризует время, которое проходит между двумя воздействиями на 1!КФ со стороны турбулентного шк потока (или время пребывания вихря у ¡Ж£>) и определялась как tr" уТ.

Тогда . (18)

После интегрирования (интеграл функция Бесселя вычислялся по формулам Ньютона-Котеса) и преобразований получено

В этом .выражении определялось ло соотношению (15). Предполагалось, чт 1 2К"Юм ~ & (20), Скорость распространения волны зависит

от сил поверхностного натяжения, инерционных свойств падкости и была выражена как

\/в/(Т{р) (21)

Коэффициент затухания ( ¿Г ) определялся через диссипатиЕНую силу сопротивления перемещениям МКФ, которая в сгою очередь находилась через энергию диссипицуамую в единицу времени при движении элементарной площадки . Учитывая, что последний член уравнения (8 ) можно представить как ЯрдЬ? йыло иолУчеао 2й/ Силой еязкого сопротивления со Стороны газовой фазы пренебрегалось. Пульсапионная скорость определялась по закону Колмогоррва-ОбухоЕа и'=(Еи/о)>/3 (23), где за характерный масштаб турбулентности принималось расстояние меаду пузырькаш Ь (бф) (24). Мосле подстановка (15),(2и),(21),(22>, (23),(24) в (19) и приведения к безразмерному виду окончательно получено г

^Ч^Ьг^Щт - «

где 8-2,17-Юка, (26) К-^г (27) . 128)

Проверка справедливости зависимости (25) параметра { от р , у . сГ , й , V* (или В ), и определение коэффициентов в, и аг осуществлялось на основе литературных данных по массообмену в барботанных колоннах и газлифтных аппаратах. При этом учитывалось, что коэффициент а{ определяет величину ,т.е. затухание собственных колебаний участка 1№ и не зависит от характера воздействия на газовый пузырек турбулентного потока, а следовательно,и от типа массообмен-ного аппарата. Напротив, коэффициент <Т4 , определяющий размер деформируемой части ¡КФ Я ), зависит от особенностей еоз-дейстЕИЯ на пузырек турбулентных пульсаций жидкости и его величина для аппаратов с различной гидродинамикой потоков будет.неодинакова. Определение аг и аг производилось методом наименьших квадратов, интеграл в выражении (2) находился методом Симпсонв.В результате вычислений на ЭШ получено Д, = 0,1 (29). Для барботажной колонны ' при 5,18Ю4д>~1'3 (30) отклонение расчетных данных от опытных не превышало 30 %. ;1ля гозлцфтного аппарата аг " 9,67-10'*^** ч31),

а расчетные значения / соответствовали экспериментальным данным с точностью до 3 %.

Л1Ка>. е системе газ-жидкость. Полученные закономерности колебательных движений ПКФ (.14),(10),(16) позволили определить размеры пузырьков, формирующихся в турбулентном газояидкостном потоке. При_

¿■1ц.1 предполагалось, что диспергирование газовой фазы может происходить по различным механизмам.

а) Разрушение пузырька осуществляется под воздействием динамических напоров турбулентных пульсаций, когда максимальная деформация ого поверхности Ут^й 132). Величине Ут йша получена после исследования функции (14) на максимум и с учетом (15),(20),(21), (22), (23),$4) представлена в виде _

т/ ДОд^УУм*т( тдЖ \

К,--• 4зз)

где ва"2,17-Ю~ а^ага (34), К определяется по формуле (27). При этом, по Физическому смыслу ашя» а, , С«а Должен бить близок к I. Для жидкостей с небольшой еязкостью ваК«4 (35). После подстановки (33) в (32) отчетом (35) получено следующее выражение для максимального диаметра'пузырька устойчивого к воздействию динамичао-ких напоров турбулентных пульсаций жидкости

й'т - ту 4[аГ Е°-уги-<?Г ] " . (36)

Но в турбулентном потоке воздействия на ГЖФ периодически меаяются и при приближении характерной частоты пульсаций сплошной среды к частоте собственных колебаний поверхности пузырька может возникать явление резонанса.

б) Разрушение при резонансе (£¡-1дТ \2>7), Характерная частота пульсаций сплошной среды определялась по формуле 1.36;. Из условия 137) с учетом (15),1.38)^20),(.21),(22),(23),^4) и (35)

найдено ¿^О^Ъ^ЛС^У9*■ (39)

Сравнение уравнений (36) и 139) показывает, что они имеют одинаковую структуру, но-при (р > 0,04 д."т< В общем случае для среднего диаметра пузырька можно записать (40;. Коэф-

фициент А(({) зависит от (р , позволяет учесть различие в механизмах диспергирования газа, взаимное ЕоздейсгЕие. пузырьков, их коалесцен-циы и определяется типом аппарата и свойствами газозшдкостной системы. Величина Л((р) находится экспериментально. УПКФ моют быть определи на по формуле

а-6д>/а (41).

3. Экспериментальные исследовании УПКФ и массообмена в стр.уйно-инжекиионном ферментаторе

Эксперименты виполнялись на модели Citó с кожухотрубным струйно-инжекциснным аппаратом в качестве аэратора. УПКФ и объемные коэффициенты массоотдачи определялись ыо методике каталитического окисления растворов сульфита натрия кислородом воздуха. Расход жидкости, циркулирующей через установку , приведенные скорости жидкости и 'аза в трубах аппарата изменялись соответственно от 2-10"^ до 8,5-ICT4 м3/с, от 0,35 до 1,5 м/с и от 0,26 до 1,6 м/с.. При проведении опытов определялись расходы инжектируемого газа и найдено эмпг-рачеекое соотношение для их расчета в виде ^9.510Q.xД. -1,85-Ю (42), которое исчользоЕалось при обработке опытных данных по УШФ и usaco-обмену для определения ^ . Оценка точности методики проведения экспериментов показала, что относительная сшибка среднего результата измерений при коэффициенте надежности 0,95 составляет для а и не более 30 %.

УГОН? в системе газ-жидкость зависит от размеров пузырьков, газосодержания и опоеделяется по формуле (41). При анализе экспериментальных данных нспользогалось соотношение для диаметра пузыиька (39) полученное теоретически. В соответствии с выражениями (41) и (39) УПКФ может бить представлена в виде зависимости

a-6<p/d -22¿ctt¡E°;pcycrcs(i-<?Vafl (43)

В этом уравнении диссипация энергии в активной области аппарата (трубах с нисходящим и восходящим потокагш газожидкостной смеси) примерно равна удельной мощности струи Ер~ ^e/Vp г (44)

где Ne-¡-*pV¡I% (45).

В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов получено следующее вы^нение для коэффициента пропорциональности (1%,= i,82 ('с/ртрУ' (46), при котором расхождение мэ®-ду опытными и расчетными данными не превышало 2Ъ.%. Таким образом аналитически выеденную зависимость для УПКФ (43) и лежащее в ее основе соотношение дал d (39) можно считать подтвержденными эксперм-менталыю. предложено также упрощенное эмпирическое выражение (X~ií9Ep Dc' (47), которое позволяет рассчигшзогь У1ШФ но

имея денных но газосодержанию, с той же точностью.

Объемный коэмТяшлент массоотдачи может быть выражен как произведение где а определяется зависимостью (43) с учетом (46),

Обработка экспериментальных данных методом найменышх квадратов поз-'

иолила получить следующее эмпирическое соотношение для поверхностного коэффициента массоотдачч А*~2,65,Ю (49), с учетом которого максимальное отклонение значений ДвД рассчитанных по выражению (48) от опытных составило 28 %. Упрощенная эмпирическая зависимость для определения РщО найдена в виде*"27$Ер Д-._С50)

и апрэксимирует опытные данные с точностью до 32 %. Сравнение аб-сорбшонных характеристик СМФ с литературными данными для аппаратов других типов подтвердило его оЛректиЕНость.

В уравнение материального баланса (I) еходят значения У11КФ и объемного коэффициента массоотда'Л отнесенные к объему жидкости в аппарате. Они могут быть определены по формулам аХ!= аУр/Ук (51) * Ржак-РяаУр№ж 152).

Полученные результаты позволили провести экспериментальную проверку справедливости предложенной модели переноса массы и определить коэффициенты пропорциональности в уравнении (25) для СИФ. В результате найдено Сж-(^с/ргр)'5! (53), при котором рассчитанные по соотношению (25) значения ^ соответствуют определенным по экспериментальным данным с точностью до 13 %. Анализ зависимости (25) с учетом формул (29),130), 131) и (53) показывает, что для жид-костел с небольшой вязкостью (¿Й?«^!) второй сомножитель в правой части близок к I и она может бить несколько упрощена

г1т , * г, 4

' (1-^Г схр(-2ЯЩН (54)

Учет деформаций ПКФ при описании переноса массы е газожидкостных потоках позволяет объяснить физический смысл происходавдос при этом явлений и, е частности, хаоактер влияния физико-химических свойств системы на Рш . Колебания ГШ снижают роль молекулярной диффузии в переносе вещества. С другой стороны от физико-химических сеойсте система зависят не только закономерности затухания турбулентности _ у неподвижной ПКФ, описываемые функцией > но и параметр/,

характеризующий пульсации этой поверхности, В соответствии с уравнением (25) на его величину значительное влияние оказывают р , V и £5" . Яри различных условиях поверхность газовых пузырьков может быть кйк деформируемой, так и недеформируемой Iнапример при малыхй )■ Степени влияния физико-химических свойств системы на массоиеренос в указавшее случаях будут неодинаковы. Уто может служить одним из объ-ясненлй различия в получаемых экспериментально зависимостях от

Р ,р , (Г .

4. Получение биомасси хлебопекарных дрожжей в высоко-концентрироданных средах

Анализ экспериментальных данных, полученных при выращивании дрожжей на мелассных средах по воздушно-приточному методу на той же установке, которая использовалась для изучения абсорбционных характеристик СИФ показал, что при высоких концентрациях биомассы ( е этом аппарате могут быть достигнуты больше среднечасо-

вые значения удельной скорости роста ( ¡*ч ) и продуктивности процесса культивирования ( Пц ). Величина ¡ич из-за влияния множества различных технологических и микробиологических факторов на рост популяции резко менялась, но в целом при увеличении С АСБ наблюдалась тенденция к ее снижению. При этом в диапазоне С АСБ от ^Окг/г!

11ц колебалась около среднего значения примерно равного 0,12 ч"^. Дальнейшее повышение концентрации биомассы до НО кг АСБ/м3 приводило к быстрому снижению до 0,06 Среднечасовая продуктивность культивирования дрожжей в СИй при увеличении С дсе от о + 10 до 60 * 90 кг/м3 возрастала от 2 + 3 до 9 * II кг АСБ/мэ ч, затем из-за снижения несколько уменьшалась, т.е. наибольшая эффективность процесса достигалась при 0 дсБ = кг/м3. Удельные энергозат-

раты при этом составляли 0,35+0,45 КВт ч/кг АСБ.

Выполнена оценка абсорбционных возможностей ферментатора при выращивании дрожжей для различных режимов его работы. Удельная скорость переноса кислорода в единице объема культуральной среды достигала 9 + II кг 0^/м3ч,при этом коэффициент утилизации кислорода возрастал до 40 + 50 %. Получено значение коэффициента увеличения скорости растворения кислорода при переходе от модельной системы (раствор сульфита натрш-воздух) к реальным условиям культивирования примерно равное 4. Этот результат, очевидно, имеет место из-за различия физико-химических свойств сред . Показано, что наблюдаемый характер изменения ¡чч иДг при росте концентрации биомассы связан с ограничениями е обеспечении популяции кислородом. Сравнение полученных результатов с имеющимися в литературе данными свидетельствует о высокой эффективности С11Ф при использовании его для культивирования микроорганизаов.

Проведено изучение плотности и вязкости культуральных жидкостей и суспензий дро.таей, знание которых необходимо для расчетов процессов и оборудоЕаш.я применяемых в дрожжевом производстве. Анализ реологических характеристик, полученных на ротационном вискозиметре показал, что при концентрациях примерно до 150 кг АСБ/м3 эти среды проявляют ньютоновские свойства. Наедены следующие зависимости для расчета плотное гей и коэффициентов вязкости ( р ) при различных

содержаниях дрожжей в среде (X и температурах от 20 до 40 °С:

а) Суспензии дрожжей (X

АСБ ог 0 д° °>12 кг/кг) рсп/ря,о ~0,32Хлсв +i (55) (точность 0,3 %);

[кл/ръо-е*16***__(56) (точность 5 %)_

б) Культуральные жидкости (А ДСБ 01 О.ООЪ до 0,105 кг/кг, выход биомассы с единицы сырья - 7U + ТОО %):

РЧРщо = Ш%лсв-XZcu * i,004 (57) (точность 0,3 + I %) где А%£в~ начальная концентрация биомассы при культивировании

Рж/Риго " G . (58) (точность 10 %)

Основные результаты работы

1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований показано, что для интенсификации массообмена при культи-ЕироЕании дрожжей могут быть использованы ферментаторы струйно-ин-уекционного типа, позволяющие проводить процесс биосинтеза в высоко-концентрироЕанных средах.

2. Выполнено описание процессов формирования поверхности контакта газа с жидкостью и переноса через нее массы, в основу которого положено представление дисперсной гэзоеой фазы и окружающего ее турбулентного потока вязкой жидкости как колебательной системы.

3. Аналитически установлены законсмзрносш пульсационных движений поверхности пузырька, учитывающие вязкость среды. Найден параметр характеризующий их влияние на затухание турбулентности в пограничном слое. С учетом величины этого параметра, при помощи полуэмпирической теории турбулентного переноса и метода аналогий, определен поверхностный коэффициент массоотдачи. Предложенное описание массо-переноса отражает наблюдаемое в экспериментах переменное влияние физических свойств системы на 0Ж .

4. На основе предположения о существовании различных механизмов диспергирования газа показано, что под воздействием турбулентных пульсаций жидкости в газожидкостном потоке могут образовываться ду-зырьки различных размеров. Найдены зависимости для их определения.

5. Экспериментально определены расходы инжёктируемого газа.УПКФ, объемные и поверхностные коэффициенты массоотдачи в СИФ при различных режимах его работы. По этим результатам, а также данным взятым из литературных источников, выполнена проверка аналитически полученных зависимостей и определены коэффициенты пропорциональности в них для различных газожидкосгных аппаратов.

6. Показано, что проведение культивирования в СИФ при высоких концентрациях сред позволяет получать большие значения продуктивности процесса при низких .удельных энергозатратах. Выполнена оценка

абсорбционных гозможностей ферментатора при биосинтезе для различных режимов его работы. ПроЕэдено сопоставление полученных данных с результатами исследований массоперепоса по сульфитной методике. Определено значение коэффициента увеличения скорости растворения кислорода при переходе от модельной системы к реальным условиям культивирования.

7. Найдены зависимости для расчета плотностей и коэффициентов вязкости культуральних сред и суспензий дрочжей. Показано, что до концентрации биомассы примерно 150 кг АСЬ/м3 эти жидкости проявляют ньюто-нохгкие оЕойстЕа.

8. Предложены ноеыэ конструкции ферментаторов струйно-ишкекционного типа. Полученные в результате теоретических и экспериментальнгх исследований заЕИСимостн положены в основу методики их расчета.

Основные обозначения IT - продуктивность процесса культивирования (кг/м3 с);иг/м3 ч); ju -- уделоная скорость роста биомассы,с-1", (концентрация вещества, кг/м3,(кг/кг); - средняя движущая сила процесса абсорбции (кг/м3); уЗщ.- поверхностный коэффициент массоотдачи,м/с; а - удельная поверхность контакта фаз, - динамическая и пульсацяонная

скорости,м/с;v кинематический коэффициент вязкости жидкости, м/с; р - плотность жидкости, кг/м3; ц. , Вт - коэффициенты турбулентного переноса импульса и массы, г,?/с; f - параметр,характеризующий пульсации ПКФ; V - скорость приведенная,м/с; Se - число ИЬлщта; lt -маситаб пульсации,м; (Г - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; Е - диссипация энергии, Вт/м3; (р - газосодержанио: d -диаметр пузырька, м; D - диаметр, м, коэффициент диффузии, ir/с; р - площадь поперечного сечения, ¡.Г; У - объем, м3;Л£ - мощность струи, Вт.

Индексы и сокращения ÍK - жидкость, отнесеш.ий к объему жидкости; Ог - кислород; m - максимальная величина; тр - значение на границе раздела фаз; с - сопло; тр - труба; р - реакцпонный;АСБ - абсолютно сухая бьомассн; СИФ - струйно-инжекционный ферментатор; УПКФ - удельная поверхность контакта фаз; ¡litó - поверхность контакта фаз.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Анискмов С.А., Тишин Б.Ь. Массообмен через деформируемую поверхность контакта (фаз в системе гаь-жидкость.//ПиАШ1. ЛТ1Ш1-Деп. в Arpo НИШ'ЗИПП, 1991, JS 4. с. 79.

2. Анискмов С.А., Тишин В.Б. Модель переноса массы в системе х'аз-жидкость.//Холод-народному хозяйству.Тез.Всесоюзн.научно-техн.конф,-Ленингрпд,1991. -с. 360-362.

3. А.с.1557158 (СССР). Аппарат для выращивания дрожжей./Аниси-мов C.h., Новоселов А.Г.,11аЕлович С.11. и др. -Опубл. в Б.К, 1990,Й4.

4. Л.с.1576556 (СССР).Аппарат для выращивания микроорганизмов. /Ыляхоиецкий В .М.', Анисимов С.А.-Опубл. в Б.Й., I99Ü, Ь 25.

5. Новоселов А.Г., Аиисвмов С.л.,Прохорчик И.П. О возможности выращивания хлебопекарных дрожжей в кожухо'трубном струйно-инжекциии-— нем аппарате (КСИА).-В кн.:Ыашины,агрегаты,процессы и аппараты пищевой технологии.-Л.ЛШХП,1990, с.19-20.

6.Тишн В.Ь., Новоселов А.Г. .Анисимов С .А.Культивирование хлебопекарных дрожжей е высококонцентрироганных средах.-В кн."Машины,агрегаты,процессы и аппараты пищеЕЫХ технологий.-Л., ЛТИХЛ,1990,с.22-27.

7. Новоселов А,Г.,Тишн В.Ь..Гуляева Ю.Н..Анисимов С.А. ИсследоЕа-ние физических свойств водных растворов сульфита натрия.-НИХ,1989,

т.62, Jâ 5.C.II44.

8. Новоселов А.Г.,Анисимов С.А.Орлов В.В.О влиянии напряжений сдаи-га на'реологические характеристики хлебопекарных дрожжей//ЛТИХП-Деп.

в АгроНИИТЭШПДЭВЭ, №2088, с.67.

S. Тишин 3.Б.,Новоселов А.Г.,Меледина Г.В..Анисимов С.А. Исследования по культивированию хлебопекарных дрожжей в струйно-инжекцион-üoM кожухотрубном ферментаторе с высокой конечной концентрацией биомассы в субстрате.//"Биотехника 89".Процессы и аппараты для микробиологических производств,Тез.Всес.научн.техн.конф. -Грозный,1989, с. 65-66. *

Ю. А.с.1409652 (СССР).Аппарат для выращивания микроорганизмов/Новоселов А.Г.,Тишин В.Б..Анисимов С.А.' и др.-Опубл. в Б.И, 1988,ß 26.

11. Тишин В.Б.,Геда Л.С..Новоселов А.Г..анисимов С.А.Массообмен и турбулентные пульсации на поверхности раздела фаз'в системе газ-жид-кость.В кн. Шроцессы и аппараты пищевых производств,их интенсификация и управление, ЛТИХД. Л.,1988, с. 29-37.

12.А.с. I346I87 ICGCP). Ус тройство для разрушения пены./Новоселов AT Тишин В.Б..Анисимов С.А. -Опубл. в Б.И.,1987, №39.

13. Тиши В.Ь..Новоселов А.Г..Анисимов С.А. О механизме переноса массы через поверхность контакта фаз в системе газ жидкость. Тез.докл. Всес.научн.техн.конф.Разработка и совершенствование технологических процессов,машин и оборудования для производства,хранения и транспортировки продуктов питания.. МТИГШ, M., 1987, с.103-104.

14. Ибрагимов С.Х..Тишин В.Б..Анисимов С.А.Исследование гидродинамических характеристик струино-инжексионннх сатураторов. В кн.Интенсификация процессов и оборудования пицеЕых производств.-1. ЛТИл11,1082, с.39-43. j