автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация технологических схем производства уксусной кислоты биохимическим способом

я

^ ^ На правах рукописи

*Ч

5? ^

АНДРОНОВА ЛАДА СЕРГЕЕВНА

ОДЕЛИРОВЛНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОИЗВОДСТВА УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ БИОХИМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1997 г.

Работа выполнена на кафедре кибернетики химико-технологических процессов Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева и во Всероссийском научно-исследовательском институте пищевой биотехнологии (г. Москва).

Научный руководитель: академик Российской Академии диалектика-системных исследований, доктор технических наук, профессор Дорохов И.Н.

Научный консультант: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Галкина Г. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бесков B.C.

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Ермакова Н.Т.

Ведущее предприятие: Балашихинский экспериментальный пищекомбинат (г. Балашиха, Моск.обл.)

Защита диссертации состоится 1997 г. в_час. в ауд.

_____ на заседании диссертационного совета Д 053.34.08 в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева по адресу: 125047, Москва, А-47, Миусская пл., дом 9.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д.И.Менделеева.

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

БОБРОВ Д. А.

- \ -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Широко развернувшиеся в последние годы экспортно-импортные связи, создание совместных промышленно-произ-зддетвенных предприятий, научно-исследовательских фирм в пределах Злижнего и дальнего зарубежья, а также внутрироссийские торговые этношения значительно обогатили ассортимент плодовых и растительных культур, используемых в качестве сырья для пищевой, сельскохозяйственной и перерабатывающей промышленности. Наличие большого количества некондиционного плодового и другого растительного сырья, не используемого или не эффективно используемого, характерно не только для России и стран СНГ, но и для многих стран дальнего зарубежья. В то же время отходы переработки и некондиционное плодовое сырье представляет собой натуральный ресурс, содержащий ценные элементы и прекрасный исходный материал для ряда важных в народном хозяйстве производств, основанных на микробиологическом синтезе.

Изучение мировой научно-технической и латентной информации показало, что наиболее рациональным представляется использование этих отходов для производства натуральных пищевых кислот (уксусной, лимонной, молочной) и ароматизаторов. Решение данной проблемы путем создания нетрадиционной технологии, основой которой является применение достижений современной биотехнологии, обеспечивает качественный скачок в технологии переработки сельскохозяйственного растительного сырья и производства продовольствия и соответствует мировым тенденциям развития науки и техники. Поэтому проблема разработки передовой технологии производства уксусной кислоты, основанной на микробиологическом синтезе, позволяющей перейти ог использования дорогого пищевого сырья высокого качества к переработке дешевых отходов на основе растительного сырья и некондиционных плодов, весьма актуальна.

Работа выполнялась в рамках государственной научно-технической программы "БИОТЕХНОЛОГИЯ" (1993-1998 гг.), а также Международного проекта "БИОКОНВЕРСИЯ-2000" "Разработать безотходные производства по комплексной переработке растительного сырья в этанол, уксус, крахмалопродукты и высокоэффективные концентрированные корма".

Цель работы: научное обоснование и создание нетрадиционной технологии производства натуральной пищевой уксусной кислоты (УК) высокого качества биотехнологическим способом из отходов переработки плодового сырья и некондиционных плодов; на этой основе разработка и

оптимизация 2-х аппаратурно-технологических схем получения пищевого уксуса: 1) глубинная непрерывная схема; 2) поверхностная периодическая циркуляционная схема. В основе решения данной проблемы лежит стратегия системного анализа сложных биотехнологических процессов, предусматривающая комплексное решение проблемы, начиная с клеточного уровня микроорганизмов продуцентов и кончая разработкой промышленного аппаратурно-технологического оформления.

Научная новизна. На основе системного подхода к анализу сложных биогехнологическнх процессов построена оригинальная математическая модель кинетики уксуснокислого брожения глубинным способом, включающая следующие составные части: 1) ферментативное превращение глюкозы в этанол с учетом брожения, идущего по 2-м маршрутам - превращение глюкозы в лактат и превращение глюкозы в этанол и СОг в дрожжевых клетках; 2) ферментативный гидролиз целлюлозы; 3) ферментативный гидролиз крахмала; 4) ферментативное превращение этанола в уксусную кислоту в присутствии уксуснокислых бактерий (УКБ) АБе1оЬас1ег. Данная общая кинетическая схема уксуснокислого брожения представлена в компактном виде, после чего использование соотношений Михаэлиса-Ментен позволило получит!» математическую модель кинетики в виде 3-х дифференциальных уравнений, удобных для использования при построении математических моделей промышленных вариантов схем биосинтеза.

Построены математические модели лабораторной и опытно-промышленной установок получения УК глубинным непрерывным методом. Определены параметры математических моделей и доказана их адекватность. С помощью машинного моделирования с использованием разработанной математической модели найдены оптимальные параметры промышленной технологической схемы производства УК непрерывным глубинным способом, состоящей из 4-х ферментеров.

Уточнены параметры процесса культивирования при получении УК из отходов переработки растительного сырья и некондиционных плодов поверхностным циркуляционным способом на опытной установке: оптимизирован состав питательной среды; разработан режим ведения и поддержания в активном состоянии посевного материала; уточнен режим обработки и очистки ферментационных растворов, полученных циркуляционным способом.

Методами активного планирования эксперимента разработана математическая модель ферментационных процессов, протекающих при производстве УК поверхностным циркуляционным способом, найдены оптимальные условия проведения процесса и разработана аппаратурно-технологическая схема опытно-промышленной установки.

Практическая значимость. На основе выполненных, теоретических и экспериментальных исследований разработаны аппаратурно-технологические схемы промышленного производства натуральной пищевой УК путем биохимической переработки растительного сырья и некондиционных плодов двумя прогрессивными способами: 1) непрерывным глубинным способом; 2) непрерывным поверхностным циркуляционным способом.

Перевод промышленного производства пищевого натурального уксуса на оптимальные непрерывные способы производства позволяет: 1) повысить производительность технологических линий ферментеров на 1015% и увеличить съем УК с единицы рабочего объема аппарата на 5-8% против установленной нормы; 2) повысить производительность поверхностных циркуляционных окислителей на 25-30% и увеличить съем УК с единицы объема стружки на 15-20% против установленной нормы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована автором теоретически на базе глубокого анализа современных подходов к математическому моделированию кинетики микробиологических процессов, проверена экспериментально на лабораторных установках ВНИИПБТ (г.Москва) и подтверждена в полупромышленных и промышленных условиях на Баланпгашском экспериментальном пшцекомбинате пищевых кислот (Моск. обл.).

Апробация работы. Отдельные положения выполненного исследования были изложены в докладах, предоставленных на Международной конференции по кибернетике и системному анализу химико-технологических процессов и комплексов (г.Москва, 1993 г.); Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (г.Новомосковск, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложения. Рабога содержит 242 страницы машинописного текста, 41 рисунок и 28 таблиц. Список использованной литературы содержит 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, научная новизна, практическое значение работы. Определены цели и задачи исследования, а также общая стратегия разработки и оптимизации аппаратурно-технологических схем производства УК микробиологическим способом.

В первой главе дан анализ современного состояния проблемы совершенствования производства пищевой УК биохимическим методом. В настоящее время применяют два способа производства УК - поверхностный и глубинный, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Поверхностный способ культивирования характеризуется тем, что УКБ закреплены на твердом носителе; он проще, менее энергоемок, более отработан. В связи с тем, что бактерии используются многократно, питательных веществ потребляется меньше, получаемый уксус не требует сложной обработки.

Глубинный способ является более прогрессивным, управляемым; он обеспечивает стабильные режимы культивирования; облегчает автоматизацию процесса; требует меньше производственных площадей, однако энергоемкость его выше. При глубинном способе культивирования снабжение УКБ кислородом лучше, чем при поверхностном способе, за счет процессов аэрации и перемешивания культуральной жидкости, кроме того, более совершенная организация отвода тепла.

Анализ существующих подходов к математическому моделированию кинетики ферментативных реакций показал, что кинетика этих реакций хорошо описывается уравнением Михаэлиса-Ментен, дифференциальная форма которого связывает начальную скорость превращения субстрата rmax с его начальной концентрацией^]: r0 = w[S0]/(Km + [So]), где Км -константа Михаэлиса. С другой стороны, анализ литературных данных показал, что в большинстве случаев значение удельной скорости роста микроорганизмов n=(l/X)(d[X]/dt) зависит от концентрации лимитирующего субстрата [SJ в виде дробно-рациональной функции ц = Hn:ax[S]/(Ks + [S]), носящей название уравнения Моно, где - предельная максимальная удельная скорость роста культуры клеток, Ks - параметр, получивший название константы сродства субстрата к микроорганизму. Уравнение Моно, связывающее удельную скорость роста культуры микроорганизмов с концентрацией субстрата носит эмпирический характер и по своему виду близко к уравнению Михаэлиса-Ментен. Признание идеи о существовании лимитирующего субстрата стало общепринятым даже в рамках гак называемых сбалансированных сред. Для описания экспериментальных данных по торможению роста микроорганизмов продуктами метаболизма Р используется зависимость Н.Д.Иерусалимского, по форме напоминающая уравнение Михаэлиса-Ментен ц = - ц0Кр/(Кр +-[Р]), где juo и КР - константы Иерусалимского.

В заключении главы отмечено, что основными причинами популярности непрерывного культивирования микроорганизмов в проточном аппарате полного смешения (хемостате) являются простота

конструкции, легкость поддержания заданного режима и возможность длительного непрерывного культивирования. В промышленности микробиологического синтеза предпочитают вести биосинтез в каскаде хемостатов.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию процесса получения натурального пищевого уксуса в колбах-качалках в лабораторных условиях. Ввиду того, что исходное сырье содержит наряду с глюкозой достаточно высокие количества крахмала и целлюлозы, последние рассматривались как дополнительные источники углеродного субстрата. С целыо извлечения этих резервов из растительной ткани сырье сначала разваривали, а затем подвергали обработке специально подобранными целлюлолитическими и пектолитическими ферментами. Особенно эффективным оказалось совместное действие целлюлазы (Румыния) и иектофоетидина в строго определенных концентрационных условиях (0,06% и 0,03% от веса сырья соответственно) при температуре обработки в обоих случаях 32-36°С и рН = 5,0. При такой обработке наблюдалось практически полное разжижение шкурок и волокон плодов, увеличение выхода редуцирующих веществ в 1,5 раза и повышение выхода экстрактивных веществ в 40 раз. Значительно повышается эффект обработки при совместном использовании амилолитических и целлюлолитических ферментов.

Разработана питательная среда для проведения спиртового брожения. Установлено, что для успешного осуществления спиртового брожения к основному сахаросодержащему сырью необходимо добавлять источники азота, фосфора и магния в концентрациях 0,1-0,05%. Кроме того, продуцент нуждается во внесении источников витаминов и факторов роста - дрожжевого автолиза в концентрации 0,1%.

Разработана питательная среда для проведения уксуснокислого брожения. Так как бактерии Асе1:оЪас1ег, с помощью которых осуществляется уксуснокислое брожение, являются строгими аэробами, то важнейшим требованием, предъявляемым к питательной среде, является аэрирование среды воздухом и ее перемешивание. Исходя из знаний физиолого-биохимических особенностей эгих культур, при разработке питательной среды для проведения уксуснокислого брожения использованы методы и подходы культивирования продуцентов, разработанные ранее в лаборатории УК ВНИИПБТ.

Для глубинного способа культивирования микроорганизмов экспериментально установлены следующие факты: 1) изменение количества посевного материала при спиртовом брожении оказывает влияние на продолжительность процесса: так, при дозировке дрожжей 5%)

продолжительность брожения составляет 5 суток, а при дозировке 10% - 3 суток; 2) на стадии уксуснокислого брожения процесс накопления УК происходит быстрее и с более высоким выходом на средах, отфильтрованных после стадии спиртового брожения; 3) важное значение имеет добавление спирта в период экспоненциальной фазы роста культуры с целью создания ингибирующего эффекта.

Для поверхностного циркуляционного способа культивирования более существенное влияние имеет стартовая концентрация УК, которая определяет продолжительность, выход и другие технико-экономические показатели. Установлено, что с увеличением стартовой концентрации УК повышается конечная концентрация уксуса. Кроме того, сокращается продолжительность окисления спирта до кислоты, что в конечном счете приводит к улучшению основных технических показателей (выход УК, съем готового уксуса с единицы объема в пересчете на 100%-ную УК и др.).

Глава 3 посвящена разработке и оптимизации аппаратурно-технологической схемы получения УК глубинным способом. На основе экспериментальных исследований, выполненных в главе 2, разработана принципиальная технологическая схема производства уксуса глубинным методом, включающая следующие основные стадии: 1) подготовка сырья к сбраживанию (измельчение, разваривание, охлаждение); 2) ферментационная обработка разваренного сырья (гидролиз крахмала и целлюлозы); 3) приготовление питательной среды для сбраживания; 4) приготовление посевного материала культуры дрожжей; 5) сбраживание среды до спирта; 6) приготовление посевного материала культуры У КБ; 7) ферментация в ферментере, снабженном аэрирующим приспособлением, рубашкой или змеевиком для поддержания нужной температуры; 8) обработка ферментационных растворов; 9) розлив готового продукта. В работе дана подробная технологическая характеристика каждой из перечисленных стадий.

При разработке математической модели кинетики уксуснокислого брожения принимали во внимание, чго большую часть сухих веществ сырья составляют общие сахара (15-17%); редуцирующие веществ (11-12%); крахмал (10-23%); целлюлоза (11-14%). Под действием ферментной обработки общие сахара и редуцирующие вещества Бсах непосредственно переходят в простейшие сахара (моносахара) Б'сах, а крахмал (К) и целлюлоза (Бцел) претерпевают сложные многоступенчатые полиферментные превращения, прежде чем обрести форму моносахаров Бих, которые являются исходным сырьем для получения этанола Ее и далее УК (Рук). Схематически эта цепь ферментативных процессов показана на рис.1. В главе построены и проанализированы детальные кинетические

Рио.1. Обцая схема ферментативных процессов получения уксусной кислоты из растительного сырья.

схемы всех стадий ферментативных процессов, показанных на рис. 1: стадии спиртового брожения глюкозы, идущей по 2-м маршрутам (превращение глюкозы в этанол и СОг и превращение глюкозы в лактат); стадии ферментативного превращения целлюлозы в этанол; стадии ферментативного превращения крахмала в этанол; стадии ферментативного окисления этанола в УК (спиртовое брожение).

Для всех основных стадий сформулированы системы кинетических уравнений в форме Михаэлиса Ментен:

- для стадии ферментативного превращения целлюлозы:

ар] Гт1|5о] Гпо^о]

(1)

сИ К! + [Б.] К5 + Ро]

(Цвп] Гт1[5о] Гт2[Сп] Гт4[Оп]

(11 К1 + Р.] Ка+рЗп] К 4 + [С„1

(2)

ё[С2] Г,:,2[Ол] РтЗ^о] Гт3[02]

+--------(3)

ей К2 + [вл] К5 + [Бо] К-, + [вг]

с![С] г^рЬ] гт4[Сп] г„,б[С]

--= -+--------------(4)

с11 Кз + [О2] К4 + [Оп] Кб + [в]

с![Е0 Гшб[0]

(5)

Л Кб + [С] - для стадии ферментативного превращения крахмала: ¿[К] гш?[К] гт9[К]

С±1 К? 4- [К] К9 + [К] сЗСД] Гт:[К] Гт8Щ]

(б) (7)

сИ К7 + [К] Кз + [Д] <1[М] ГЭТ8[Д] Гт9[К] Гтю[М]

+------- (8)

<И К8 + [Д] К9 + [К] К,о + [М]

<1[С] Гтю[М] Г,пц[0]

(И Кю + [М] Ки + [О] с1[Е1] г„,п[0]

<11 Кп + [в]

(9) (Ю)

- для стадии ферментативного окисления этанола в УК:

сЗ[Ег] гт12[Е,]

— --- (11)

сИ К12 + [Е,]

<3[А1] ГП,12[Е,] Ггп1з[А(1

-=--- (12)

а К,2 + и Кп + [А1]

с![Ц] гт13[А1]

-= --(13)

Л К13 + [А1]

где Гт, К; - максимальные скорости элементарных стадий ферментативного превращения и константы Михаэлиса соответственно 0 = 1, 13); [8], [вп], [Сг?Ь [С]. [К], [Д], [М], [Ал], [Е(], [II] - концентрации целлюлозы, полисахаридов различной степени полимеризации, целлобиазы, глюкозы, крахмала, декстрина, мальтозы, ацетальдегида, этанола, уксусной кислоты, соответственно.

Для оценки кинетических параметров п™, К1 система кинетических уравнений (1) - (13) преобразовывалась по методу Пауэла, а для поиска констант использовался алгоритм Недлера-Мида. Система (1) - (13) представлялась в виде

n

ёО/ёг = Еу^; 1 = 1, N (14)

]=1

или

"¿01* (11 "-1 0 .. .о" 1 -1 . . .0 "Ел"

ёСн 0 0 ... 1

где С, - концентрации ключевых, компонентов 0=1, И); ¡-^ = Гт|Су(К^ + С]) -скорости элементарных стадий; Уг, = -1; 0; +1 - элементы квадратной матрицы, состоящей из нулей и единиц размера N х N.

Оценки параметров Ги, и К, находятся из условия минимизации функционала Ф:

n т

Ф = Е Е (С1> - С»1') (16)

¡=11=1

где = I, Ь) - 1-ый момент измерения концентрации ¡-го ключевого компонента; СьС| - расчетное и экспериментальное значение

концентрации ¡-го компонента в ^-й момент времени, соответственно. При выполнении кинетических расчетов использовались данные экспериментов, полученные в лаборатории биоконверсии возобновляемых ресурсов Института биохимии им.А.Н.Баха АН РФ и лаборатории уксусной кислоты Всероссийского научно-исследовательского института прикладной биотехнологии (ВНИИПБТ). Обработка кинетического эксперимента с целью поиска констант осуществлялась по методу Недлера-Мида с использованием процедуры Рунге-Кута 4-го порядка для расчета кинетических зависимостей.

Однако систему кинетических уравнений в форме Михаэлиса-Ментен (1) - (13) оказалось затруднительным использовать в практических расчетах при оптимизации и проектировании промышленных схем производства УК ввиду ее сложности и излишней детализации. Поэтому полученные с ее помощью оценки кинетических констант носили предварительный характер и использовались на стадии исследования механизма процесса. На основании этого исследования и упрощения системы уравнений Михаэлиса-Ментен (1) - (13) для практических расчетов была получена итоговая кинетическая модель процесса, сформулированная относительно удельной (на единицу объема) скорости роста биомассы ц = с][Х]/с![; удельной скорости потребления субстрата е = - с1[5]/с11 и удельной скорости синтеза продукта я = с![Р]/ск:

е = К,ц + К*1 + Кз (17)

ц = К4[К5/(К5 + [Р]) - Кб[Р]] (18)

Ч = [КтИ/(К8 + ИШК^] + [Р])] - Кю[Х] (19)

где К(, 1 = 1, 10, в отличие от констант Михаэлиса в уравнениях (1) - (13), являются эмпирическими параметрами, определяемыми путем решения обратных кинетических задач при постановке эксперимента в полупромышленных и промышленных условиях.

Полная математическая модель для ¡-го ферментера каскада из 4-х последовательно соединенных аппаратов промышленной схемы получения

УК непрерывным глубинным способом имеет вид

Ц1Х;У + а1-,Хм-^Х1 = 0 (20)

фХД^ + виРы + Р'.Рг, - = 0 (21)

б;Х;У + СыБы + № - вй = 0 (22)

^ = 0,058[0,164/(0,164 + РО] - 4,25 10"3 Рк (23) = [0,12881/(1,6410-3 + БОР,084/(0,084 + Б, + Р.)] - 0,255Х, (24)

£¡ = 0,0419^ + 0,0884^ + 0,0796 (25)

-й-

'Р4

С1) п?а

СБ,

Р,

г£2

В,

.И

3

Воздух

Ф,

Вода

сб2

~т

ЕАВ

Ж

ф,

-9-

Воздух

-5а-

ьоэдух

ф,

цн

Очищенный воздух

4

111

Воздух

Пастеризация

Фильтрация

Розлив

Рис.2.. Функциональная схема глубинного ( непрерывного ) способа производства пищевого уксуса: Рт- резервуар барды-, Р," резервуар концентрата головной фракции этилового спирта; СЕг- сборник основной питательном среды; СБ^- сборник питательной среды подпитки; А - абсорбес; ЕаВ - емкость для абсорбированной воды; Ф <3з„ Ф . ФЛ - ферментера: ЦН - центробежный насос!

а ) ~ 3 Ц-

где V - объем ферментера (6,3 м3); Fi - скорость подпитки с концентрацией спирта Sf; и уксусной кислоты Pr, подаваемой в i-ый аппарат; G. - скорость потока культуральной жидкости в i-ом аппарате. Кинетические константы найдены по алгоритму Недлера-Мида. Сравнение экспериментальных данных с расчетными заключениями свидетельствуют об адекватности модели (20) - (25) реальному процессу.

Б главе поставлена и решена задача режимной оптимизации аппаратурно-технологической схемы производства УК глубинным способом, показанной на рис.2 (схема разработана ВНИИПБТ).

Постановка задачи оптимизации: для заданной структуры комплекса аппаратов (рис.2) определит!, материальные потоки в стационарном режиме так, чтобы максимизировать производительность батареи: P4G4 max

{Fi,Xi,Pi,S,}, i=M-

при ограничениях типа равенств (20) - (25) и неравенств: Р4 > 90 г/л; S4< 2г/л. Исходные данные для расчета:

Fpi = 250 л/час; Fp2 = 150 л/час;

Spi = 60 г/л; Spi = 400 г/л;

Ppi = 10 г/л; РГ2 = 30г/л.

Задача оптимизации решена методом случайного поиска, для решения использовались стандартные программы. В результате получено оптимальное распределение потоков (обозначения см. на рис.2): Fp,0>: FPj(2) = 3,5 : 1; Fi^1': FK<2> = 1,75 : 1; Fz: F3 = 5 : 1 Производительность схемы до оптимизации: G4P4 = 38, 6 кг/час; (Р4 = 9,1 г/л); после оптимизации: G4P4 = 46,24 кг/час; (Р4 = 11,5 г/л).

Глава 4 посвящена разработке и оптимизации аппаратурно-технологической схемы производства УК периодическим циркуляционным способом. При небольших мощностях производства (до 1000 т/год) глубинный непрерывный способ получения УК может уступать по своей рентабельности более простому в аппаратурном оформлении циркуляционному способу. В связи с этим в главе производится уточнение параметров ведения процесса культивирования микроорганизмов для данного способа получения УК: подобраны соответствующие условия приготовления питательной среды; приготовления продуцента; поддержания в активном состоянии посевного материала; определены условия подготовки окислителя к работе; уточнен режим обработки и очистки полученных ферментационных растворов и т.п. В результате разработана принципиальная технологическая схема процесса

ПАР (¡одй.

Рис.З - Аппаратурко-техкологаческая схема получения уксуса из отходов пепетзаботкп бананов:

1-ленточный транспортер;

2-злеватор "гусиная шел;

3-дробилка; 4-шнэк-л:£г::т

5-промекуточный резервуар; 6)8,11д17-центробеж-нне касоси; 7-резервуар бродильный; 9-отстойник; 10-сборник для оброненного сока; 12-окислитель;

13-резервуар для приготовления суспензии бентонит?

14-резервуар для оклейки сытого уксуса; 15--оильтт> пресс для (Т'ильтрафш уксуса; 16-проме;::уточнш резервуар;

18-гтстесззаижмл10-0хладите.лъная установка; 19-сборкик готово го уксуса.

-н-

производства УК циркуляционным периодическим способом. Соответствующая анпаратурно-технологическая схема получения УК циркуляционным способом показана на рис.3.

Для данного способа построена математическая модель процесса и определены оптимальные условия его проведения на основе методов активного планирования эксперимента. Факторное пространство состояло из 10-ти факторов: 1) т.\ - концентрация спирта в исходном растворе (питательной среде),%; 2) гг - начальная концентрация УК в питательной среде, %; 3) гъ - возраст посевной культуры микроорганизмов, сут; 4) 7а -начальная концентрация биомассы, мг/мл; 5) гъ - концентрация М§Б04 в исходном растворе, г/л; 6) 2в - концентрация (МШЬНРСЬ в исходном растворе, г/л; 7) Ъ1 - концентрация КЩРОд в исходном растворе, г/л; 8) т.% -начальная концентрация дрожжевого автолизата, г/л; 9) 29 - количество добавляемого в процессе ферментации спирта, %; 10) гю - температура процесса, °С. Целевой функцией служила удельная интенсивность кислотообразоваиия у.

Для оценки степени влияния выбранных факторов и разработки стратегии экспериментов проводились опыты в соответствии с ортогональным насыщенным планом Плакета-Бермана. После отсева незначимых коэффициентов уравнение регрессии для у приняло вид: у = 0,291 - 0,034Хг - 0,024 Хб +0,061 Х7 +0,029 Х5 +

+ 0,029 Х9-0,179Хк, (26)

где X, = (г, - 2,°)/А2,. Статистическая проверка уравнения регрессии показала, что модель адекватна эксперименту. Из анализа параметрической чувствительности уравнения (26) можно проранжировать факторы по степени их влияния на удельную интенсивность кислотообразоваиия, расположив их в порядке уменьшения влияния: Хм, Х7, Хг, Хв, Хэ, Хб. Таким образом, наибольшее влияние оказывает температура, потом -начальная концентрация КН2РО4, затем - начальная концентрация УК, начальная концентрация дрожжевого автолизата, количество добавляемого спирта и концентрация (ТЧН^гНРСи в исходном растворе.

Полученное уравнение регрессии использовали в процедуре крутого восхождения по поверхности отклика для достижения максимума удельной интенсивности кислотообразоваиия. В области, близкой к экстремуму, или в "почти стационарной" области получено: у0Р1 = 0,705.

ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния проблемы производства пищевого уксуса биохимическим методом, а также существующих технологических

схем промышленного производства данного продукта показал, что наиболее прогрессивными способами являются непрерывные - глубинный и поверхностный циркуляционный. Перевод промышленного производства уксуса на оптимальные непрерывные способы производства позволяет: 1) повысить производительность технологических линий ферментеров на 1015% и увеличить съем УК с единицы рабочего объема аппарата на 5-8% против установленной нормы; 2) повысить производительность поверхностных окислителей на 25-30% и увеличить съем УК с единицы объема стружки на 15-20% против установленной нормы.

2. Разработана принципиальная технологическая схема производства пищевого натурального уксуса глубинным непрерывным способом с использованием в качестве сырья отходов переработки растительного сырья и некондиционных плодов. Выполнена проверка принципиальной схемы на качество ферментации.

3. Разработана математическая модель кинетики уксуснокислого брожения глубинным способом, включающая следующие составные части:

- ферментативное превращение глюкозы в этанол с учетом брожения, идущего по 2-м маршрутам: 1) превращение глюкозы в лактат; 2) превращение глюкозы п этанол и СОг в дрожжевых клетках;

- ферментативный гидролиз целлюлозы;

- ферментативный гидролиз крахмала;

- ферментативное превращение этанола в уксусную кислоту в присутствии уксуснокислых бактерий АсйоЬа^ег.

Данная общая схема превращения этанола в уксусную кислоту представлена в компактном виде, после чего использование соотношений Михаэлиса-Ментен позволило получить математическую модель кинетики в виде 3-х дифференциальных уравнений, удобных для дальнейшего использования при моделировании промышленных вариантов схем биосинтеза.

4. Выполнено уточнение и коррекция параметров математической модели лабораторной установки по экспериментальным данным, полученным на опытно-промышленной установке. Доказана адекватность математической модели реальному процессу биосинтеза уксусной кислоты, протекающему в опытно-промышленной установке.

5. С помощью машинного моделирования с использованием разработанной математической модели найдены оптимальные режимные параметры модернизированной аппаратурно-технологической схемы производства уксусной кислоты непрерывным глубинным способом, состоящей из 4-х ферментеров.

6. Уточнены параметры процесса культивирования при полученн: уксусной кислоты из отходов переработки растительного сырья 1 некондиционных отходов поверхностным циркуляционным способо! для опытно-промышленной установки: оптимизирован соста питательной среды, разработан режим ведения и поддержания активном состоянии посевного материала, уточнен режим обработки очистки ферментационных растворов, полученных циркуляционньп способом.

7. Методами планирования эксперимента разработан математическая модель ферментационных процессов, протекающих пр производстве уксусной кислоты поверхностным циркуляционны; способом, найдены оптимальные условия проведения процесса разработана аппаратурно-технологическая схема опытно-промышленно установки.

Содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Андронова Л.С., Дорохов И.Н., Тарасенко В.В. Моделирование оптимизация производства пищевой уксусной кислогы//Тез. докл. на Межд. конф. "Методы КХТП" ("КХТП - IV - 94").

2. Андронова Л.С., Дорохов И.Н. Построение математической модел биосинтеза пищевой уксусной кислоты//Тез. докл. на 4 Межд. кон(] "Методы КХТП" ("КХТП - IV - 94").

3. Андронова Л.С., Дорохов И.Н., Галкина Г.В. Принципы системног анализа биотехнологических процессов получения натуральных пищевы кислот - уксусной, лимонной, молочной//11-я Межд. конф. молоды ученых по химии и химической технологии ("МКХТ - И"), Москва, 195

4. Андронова Л.С., Дорохов И.П., Галкина Г.В. Разработк математической модели кинетики процесса получения натуралыюг пищевого уксуса//11-я Межд. конф. молодых ученых по химии химической технологии ("МКХТ - 11"), Москва, 1997 г.

5. Дорохов И.П., Андронова Л.С., Винаров А.К)., Галкина Г.1 Совершенствование процессов производства пищевой уксусной кислот биохимическим методом//Хранение и переработка сельхозсырья, 1997 г. №3. - С. 35-37.

6. Дорохов И.II., Андронова Л.С., Винаров АЛО., Галкина Г.! Моделирование и оптимизация процесса получения уксусной кислот биохимическим методом в батарее ферментеров//Хранение и переработа сельхозсырья, 1997 г. - № 5. - С. 26-28.

г,