автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование процесса культивирования хлебопекарных дрожжей при условиях высокой концентрации биомассы в кожухотрубном струйно-инжекционном ферментаторе (КСИФ)

А ) ^

у

/А л ч*

А/1 « >

1

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи УДК 673.1.02.001.5

ГУЛЯЕВА Юлия Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ ПРИ УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ БИОМАССЫ В КОЖУХОТРУБНОМ СТРУЙНО-ИНЖЕКЦИОННОМ ФЕРМЕНТАТОРЕ (КСИФ)

Специальность 05.18.12 - процессы и аппараты

пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Новоселов А.Г.

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения ......................................5

Введение ..............................................................7

Глава 1. Выбор конструкции ферментатора для культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких содержаниях биомассы .....................................................14

1.1. Анализ основных процессов происходящих

в ферментаторе при культивировании хлебопекарных дрожжей .....................................................14

1.2. Анализ подсистемного блока "среда" и его взаимосвязь с основными процессами, протекающими

при культивировании микроорганизмов .....................18

1.3. Анализ процесса переноса кислорода из

газовой фазы к клеткам микроорганизмов...................29

1.4. Выбор конструкции ферментатора..........................37

Глава 2. Экспериментальное исследование физических свойств

модельных и реальных жидкостей дрожжевого производства.................................................45

2.1. Анализ современного состояния вопроса

о методах моделирования массообменных процессов в трехфазных средах микробиологических производств .....45

2.1.1. Анализ экспериментальных работ по изучению физических свойств сульфитных растворов .................48

2.1.2. Анализ экспериментальных работ по изучению физических свойств реальных сред ..........................49

2.2. Экспериментальная установка по изучению физических свойств модельных и реальных сред

и методика проведения эксперимента........................53

2.2.1. Описание экспериментальной установки для определения физических свойств водных растворов

ЛГа2503, Жа2504 и Ата2Б03 + Ыа2БО± .....................53

2.2.2. Методика проведения эксперимента по

определению физических свойств модельных жидкостей ----53

2.2.3. Методика проведения эксперимента по определению физических свойств вододрожжевых суспензий .................................................... 57

2.3. Результаты экспериментальных исследований

физических свойств модельных и реальных сред ............57

2.3.1. Результаты измерений физических свойств водных растворов Na2SO3 и NCL2SO4 а также их смеси .............57

2.3.2. Результаты измерений физических свойств вододрожжевых суспензий ...................................74

2.3.3. Сравнение физических свойств модельных и

и реальных сред дрожжевого производства ..................79

2.3.4. Физические свойства культуралыюй жидкости дрожжевого производства....................................83

Глава 3. Повышение инжектирующей способности струй в КСИФе . 85

3.1. Анализ литературных данных по изучению струйного уноса газа в жидкости и постановка

задачи исследования .........................................85

3.2. Описание экспериментальной установки и

методика проведения исследований Г.........................98

3.3. Результаты исследований инжектирующей способности струи в КСИФе с дополнительным соплом .................100

Глава 4. Экспериментальное изучение процесса культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы в КСИФе .........................................112

4.1. Экспериментальная установка для исследования

процесса культивирования хлебопекарных дрожжей .......112

4.2. Методика проведения эксперимента по культивированию хлебопекарных дрожжей ..........................115

4.3. Результаты экспериментальных исследований

по культивированию хлебопекарных дрожжей в КСИФе ... 119

4.3.1. Влияние концентрации биомассы на ее

скорость роста ..............................................125

4.3.2. Влияние механического воздействия на

дрожжевые клетки .........................................130

4.3.3. Влияние интенсивности аэрации на скорость

роста биомассы .............................................131

4.4. Объемный коэффициент массоотдачи при культивировании дрожжей в КСИФе .......................137

4.5. Основные технико-экономические показатели

культивирования хлебопекарных дрожжей в КСИФе при

высоких концентрациях биомассы ..........................141

Основные результаты работы .......................................144

Список литературы .................................................146

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - удельная поверхность контакта фаз, м2 / м3 В - выход биомассы, % С - концентрация, кмоль/м3 или кг/м3 (1 - диаметр, м

Е - удельная энергия, Вт/м3

Б - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с

Г - поверхность контакта фаз, м2

£ - площадь живого сечения, м2

К - константа

г - время, с

р - плотность, кг/м3

[1 - коэффициент динамической вязкости Па с; удельная скорость роста, 1/ч

0 - поверхностное натяжение, Н/м

X - концентрация твердой фазы, масс %

Б - площадь поверхности, м2

Н - высота, м

V - средняя скорость, м/с

11 - локальная скорость, м/с

(р - объемное газосодержание

у - кинематическая вязкость, м2/с

- объемный расход, м 3 /с М - массовый расход, кг/с Ш - удельный расход, кг/м 3 • с /3 - коэффициент массоотдачи, м/с Р - давление. Па Ь - длина, м Т - температура, К

1 - температура, °С

q - ускорение свободного падения, м/с2 1 - инжектирующая способность струи в - масса, кг

а - коэффициент часового прироста П - продуктивность ферментатора, кг Д/м3 • ч

Индексы и сокращения

а - аппарат

в - восходящий

г - газ

с ■ струя

02 - - кислород

н - начальный

к ■ конечный

тр - • труба

д ■ - дрожжи

Б - субстрат

ДС • - дрожжевая суспензия

кж - - культуральная жидкость

СВ - - сухие вещества

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Переход российской экономики к рыночным отношениям поставил перед предприятиями-производителями продукции серьезные проблемы, связанные с конкурентной борьбой за рынки сбыта. Резкий подъем цен на отечественные сырьевые и энергетические ресурсы, появление большого количества продукции зарубежного производства еще больше усложнили ситуацию в которой оказались практически все предприятия страны. Снижение себестоимости продукции за счет повышения эффективности производственных процессов, расширение рынка сбыта производимой продукции за счет повышения спроса на нее в других отраслях промышленности - одни из главных путей к стабильности предприятия в современных условиях.

Анализ современных тенденций в области производства высококачественных и экологически-чистых продуктов питания, лекарственных препаратов, парфюмерно-косметических средств, комбикормов показывает, что немаловажную роль в технологических процессах этих отраслей играет микробиологическая промышленность [3,6,8]. Целенаправленное использование микроорганизмов в промышленных технологических процессах находит все новое и новое приложение. Основные направления применения микробиологических процессов различными отраслями промышленности представлено на рис.1.

В последние годы наряду с традиционным использованием микробиологических процессов в таких отраслях промышленности как дрожжевая, пивная, спиртовая широкое распространение эти процессы получили в фармацевтической, парфюмерно-косметической, комбикормовой отраслях, а также в технологических схемах аэробной очистки сточных вод промышленных предприятий.

В основном промышленное применение микробиологических процессов идет по двум направлениям: либо для получения самой биомассы, либо для получения продуктов микробиологического синтеза.

В первом случае, получение больших объемов биомассы является конечной целью производства. Во-втором, получение целевого продукта предполагает применение больших объемов биомассы посредством которой этот целевой продукт производится. Общим является то, что оба направления предполагают крупнотоннажное производство, что обусловлено экономическими соображениями.

Рис. 1. Использование микробиологических процессов в различных промышленных производствах

Наиболее масштабно отечественная микробиологическая промышленность представлена дрожжевыми и пивными заводами, а также заводами и цехами по производству лимонной и молочной кислот, поэтому логично будет проанализировать пути повышения эффективности микробиологических производств на примере дрожжевых заводов.

Постоянно растущий и, практически никогда неудовлетворяемьтй спрос на хлебопекарные дрожжи, требовал увеличения объемов производства, которые могли быть осуществлены несколькими путями, а именно:

- строительство новых дрожжевых заводов с использованием ранее апробированных технологических схем;

- реконструкция имеющихся действующих заводов с модернизацией технологических схем и оборудования.

Строительство новых заводов в создавшейся экономической ситуации нецелесообразно, так как имеющиеся в России более 20 крупных дрожжевых заводов загружены неполностью и основная их проблема заключается в том, что они не могут реализовать свою продукцию в полном объеме из-за высокой себестоимости производства. В этой связи выход из создавшейся ситуации видится только в реконструкции действующих заводов, которая может идти по трем направлениям:

- создание новых конструкций ферментаторов, обеспечивающих высокий выход и съем биомассы с единицы рабочего объема;

- разработка соответствующих интенсивных технологических процессов;

- создание высокопродуктивных штаммов дрожжевых культур.

Все эти три направления тесно между собой связаны, особенно два первых, так как любая интенсификация технологии неизбежно ведет к созданию нового оборудования, которое должно обеспечить необходимую степень интенсификации всех происходящих в нем тепло-массообменных процессов. Следует отметить, что работа по созданию нового оборудования и технологий велась постоянно, однако значительных успехов за последние 20-30 лет достигнуто не было. В первьтю очередь это связано с тем, что разработка нового оборудования велась с попыток интенсифицировать его за счет подвода дополнительной энергии и равномерного распределения этой энергии по объему ферментатора. Получая хорошие результаты на лабораторных моделях, усовершенствования перенесенные па крупнотоннажные аппараты аналогичного эффекта не давали. Более того, по энергетическим затратам, даже если удавалось достигнуть необходимой интенсификации тепло-массообменных процессов, такая модернизация становилась просто невыгодной по экономическим соображениям. Это вполне объяснимо, так как объемный коэффициент массопередачи Кьа зависит от подводимой энергии следующим образом, независимо от конструкции ферментатора

[3,37]

где т = 0,4 Ч- 1 - зависит от конструкции диспергирующих и перемешивающих устройств, их количества и т.п. Ып - подводимая к культуральной жидкости энергия; Ур - объем культуральной жидкости.

Таким образом, с той или иной степенью эффективности, увеличение объема ферментатора приводило к увеличению прямых энергозатрат. Конструктивные изменения диспергирующих и перемешивающих устройств позволяли повысить эффективность тепло-массообменных процессов лишь в диапазоне изменения показателя степени т в уравнении (1).

Однако, если взглянуть на суть проблемы с другой стороны, то ее решение вполне очевидно. Мощность дрожжевого завода может быть укрупненно оценена по известной зависимости [6]

дг К УрХп

N = —р---(2)

где N - мощность завода по целевому продукту, кг/год;

К - коэффициент, учитывающий средний выход целевого продукта, а также величину брака и заполнения ферментаторов культу-ралыюйной жидкостью;

Ур - рабочий объем ферментаторов, м3;

X - концентрация целевого продукта в культуральной среде на

момент времени т, кг/

м

з.

п - число рабочих дней в году; т - продолжительность культивирования, сутки; тп - продолжительность подготовительных операций на один цикл культивирования, сутки.

Из уравнения (2) видно, что мощность завода но целевому продукту может быть увеличина за счет увеличения количества ферментаторов или их объема, т.е. Ур , повышения конечной концентрации биомассы X и интенсификации клеточного роста, что выражается в снижении времени культивирования т. Увеличение Ур ведет к дополнительным капитальным вложениям, увеличению энергозатрат и вспомогательных материалов, связанных с мойкой и обслуживанием аппаратов. Кроме

того, возрастает и время тп на подготовительные работы. Вмешательство в клеточные процессы с целью ускорения роста клеток и их количества задача на сегодняшний день не реальная и практически не исследованная.

Таким образом, наиболее перспективным является повышение конечной концентрации целевого продукта X , т.е. проведение культивирования микроорганизмов при высоком содержании биомассы в ферментаторе.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является установление возможности культивирования одноклеточных микроорганизмов, в частности, хлебопекарных дрожжей, при высоких концентрациях биомассы, разработка на этой основе высокопроизводительных ферментаторов с использованием новых, высокоинтенсивных технологических регламентов и создание научно-обоснованной методики их расчета.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обобщить и проанализировать имеющиеся в научно-технической и патентной литературе данные по культивированию хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы в ферментаторах, установить основные факторы лимитирующие скорость роста микроорганизмов с целью последующего устранения или уменьшения влияния этих факторов на процесс культивирования;

- на основании ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований тепло-массообменных процессов, протекающих в ко-жухотрубиом струйно-инжекциогшом аппарате разработать конструкцию ферментатора, позволяющую реализовать процесс культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы;

- для выбора методики экспериментальных исследований процесса культивирования проверить обоснованность применения известных методов моделирования массообменных процессов к случаю культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы;

- провести экспериментальное изучение процесса культивирования хлебопекарных дрожжей в широком диапазоне начальных и конечных концентраций биомассы на модели разработанной конструкции ферментатора с апробацией различных технологических регламентов культивирования;

- на основе выполненных исследованний разработать методику расчета кожухотрубных струйно-инжекционных ферментаторов (КСИФ) и провести ее проверку на примере создания КСИФ рабочим объемом 0,6 м3 с последующим контрольным культивированием хлебопекарных дрожжей в заданном режиме.

Научная новизна. Научная новизна данной работы заключается в следующем:

- впервые практически доказана возможность культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы;

- впервые на основе материального баланса по кислороду с учетом зависимости потребления кислорода микроорганизмами от концентрации и удельной скорости роста, а также подчинения функции X = /(т) уравнению логистической кривой получено и проверено уравнение для предсказания ¡Зжа, при культивировании хлебопекарных дрожжей для широкого диапазона значений Хн и ц,;

- успешно проведены культивирования хлебопекарных дрожжей в КСИФ объемом 0,06 и 0,6 м3 в широком диапазоне концентраций биомассы от 20 до 480 кг/м3 \

- предложена и экспериментально исследована конструкция КСИФ с повышенной подачей воздуха в ферментатор за счет установки дополнительных сопел над сливными трубами;

- разработана методика составления технологических регламентов ведения процесса культивирования в КСИФ при высоких содержаниях биомассы;

- изучена гидродинамическая обстановка в трубах теплообменника-аэратора КСИФ при установке дополнительных сопел над сливными трубами. Установлено значительное увеличение инжектирующей способности струй ъ (до г—14) при установке дополнительных сопел над сливными трубами. Получены зависимости для инженерных расчетов общей подачи воздуха 0,т в КСИФ данной конструкции;

- проведено комплексное исследование физических свойств модельной среды (водный раствор сульфита натрия - кислород воздуха) с учетом изменения ее состава под влиянием окисления сульфитного иона кислородом воздуха. Получены зависимости для расчета р, р и <т водных растворов Ма230з, ]Уа2504 и ]Уа2503 + 7Уа2504 для широко-

'^Здесь и далее значения концентраций дается для биомассы с 25% содержанием абсолютно сухой биомассы (АСБ)

го диапазона температур и концентраций Ыа230з и Ыа^БО^;

- проведено экспериментальное исследование физических свойств водных суспензий хлебопекарных дрожжей в широком диапазоне концентраций и температур. Получены зависимости для расчета р} ц, а водных суспензий хлебопекарных дрожжей;

- выполнена оценка основных технико-экономи