автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Оптимизация организации потоков в биореакторах непрерывного действия

На правах рукописи

ОПТИМИЗАЦИЯ ОРГАНИЗАЦИИ ПОТОКОВ В БИОРЕАКТОРАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых

производств»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления».

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита диссертации состоится «15» ноября 2006 г. в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.122.03 при Московском государственном университете технологий и управления (МГУТУ) по адресу: 109004. г. Москва, ул. Земляной Вал. 73.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУТУ по адресу: 109004, Москва, ул. Земляной Вал,73.

Автореферат разослан «13» октября 2006 г.

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кавецкий Георгий Дмитриевич доктор технических наук, профессор Паронян Владимир Хачатурович; доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович Московский государственный университет пищевых производств

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

Жиров М.В.

:" ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальной проблемой, стоящей перед пищевой}, ppOMbfHHj^HtyocTbio в настоящее время, является повышение качества и. безопасности продуктов питания, в том числе продуктов виноделия.

Процесс производства игристых вин представляет собой сочетание гидродинамических, тепло-массообменных, биохимических, биофизических и микробиологических процессов, происходящих при вторичном брожении и последующей выдержки шампанизированного вина при взаимодействии с дрожжами и метаболитами.

. (Цля. обеспечения потребности .населения в игристых винах, в том числе шампанским, в нашей стране разработан непрерывный метод шампанизации вин, который внедрен на ряде винодельческих предприятий. ■ . ■ -

В работах Лгабальянпа Г.Г., Авакянца С.П., Саришвили Н.Г., Бру-силовского A.C., Рейтблат Б.Б., Пшцикова Г.Б. и др. содержится анализ современного, с.острян^я теории и практики шампанизации в^на.

В ,р^шв||р|^.щ>.(^^|мь^да^Н|рНф.|9с^иц,,биофюикохимических про? цессов шампанизации вина важное место занимает рациональная организация потока в. бррдильнц1х апп^ат^, непрерывного,деД<ртв(1}я. Шампанизация вина представляет собой сложный процесс взаимодействия дрожжевых клеток, изменяющихся во времени по физическим и функционал ьн ы мс во й о г вам с изменяющимся по составу шампанизируемым вином., ..........................

При непрерывной шампанизации взаимодействие дрожжевых клеток и вин^щоис^одит не только, во времени, но и в пространстве по всему объему биореактора. Непрерывная технология шампанизации вина позволила, значительно сократить, при одновременно достаточно высоком качестве шампанского, длительность технологического процесса по сравнению с классическим бутылочным. За прошедший период времени возникла необходимость дальнейшего совершенствования конструкции бродильных аппаратов непрерывного действия.

. .При разработке; конкретных„ биореакторов непрерывного, действия для шампанизации вина в потоке необходимо в первую очередь стремиться к созданию наиболее .благоприятных условий для направленного взаиэдод^ст^и/^ф^аз с^уч^биохимических факторов и технологических особенностей процесса шампанизации.

. Ii-n y.t •\~--r • ■ ' I" 1 . ' •(! .

" ' К".....,1 !(lf: . ■ . ч НГ-' V. . '

............................................,'„ .'Л'ЭТКН } -KilHiiii..-- ; .¡.'- : . . .

Of МОИ». ...ft«,o СПИЧ Я ПНЧЦ t>..,

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является оптимизация потоков и разработка конструкции биореактора непрерывного действия, работающего в режиме близком к режиму идеального вытеснения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ существующих аппаратурно-Технологических схем шампанизации вина;

- анализ кинетики взаимодействия дрожжевых клеток С шампанизируемым вином;

- разработка конструкции биореактора непрерывного действия с оптимизацией потоков приближающегося к аппаратам идеального вытеснения;

- анализ гидродинамических и математических моделей биореакторов непрерывного действия;

- аналитические и экспериментальные исследования полей концентраций в биореакторе;

- оценка адекватности разработанной конструкции биореактора сформулированным требованиям;

- разработка математических моделей вторичного брожения с учетом гидродинамической обстановки в биореакторе непрерывного действия» ■■!,

- разработка принципиальной технологической схемы шампанизации вина на базе разработанного биореактора непрерывного действия.

Научная новизна работы состоит: ,

• - в научном обосновании конструкции биореактора непрерывного действия для процесса шампанизации вин, работающего в режиме идеального вытеснения;

- в разработке математических'моделей шампанизации вина в биореакторах непрерывного действия; '' ......;

- в разработке математических мдаделей процесса шампанизации вина в биореакторах промежуточного типа;

- в разработке комбинированных гидродинамических псевдосекционных моделей шампанизации вина в биореакторах непрерывного действия; , ,

- в результатах по продольному перемешиванию бродильной смеси в параллельно-секционированном биореакторе.

Практическая значимость работы заключается

- в формулировании требований, предъявляемых к биореактору непрерывного действия;

- в разработке параллельно-секционированного биореактора непрерывного действия, приближающегося по полю концентраций к аппаратам идеального вытеснения; (патент №46256 на полезную модель, «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке»);

- в получении параметров, характеризующих поля концентраций;

- в определении скоростей осаждения дрожжевых клеток;

- в разработке аппаратурно-технологической схемы непрерывной шампанизации вин.

Апробация работы. Диссертационная работа докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств», «Естественно-научных и технических дисциплин» Вяземского филиала МГУТУ, «Системы управления», «Информационные технологии» МГУТУ в 2005 - 2006г.г.

........Основное содержание работы опубликовано в научных статьях,

получен патент на полезную модель №46256 «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке» приоритет от 24 февраля 2005 г.

»Результаты работы используются в учебном процессе МГУТУ при {чтении дисциплин «Процессы и аппараты пищевых производств», («Технологические процессы и производства», «Оборудование и технология пищевых производств», «Кинетика биохимических процессов». —' Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» Московского государственного университета технологии и управления в соответствии с планом НИР «Интенсификация тепло — массообменных процессов в условиях эффективной гидродинамической обстановки» (гос. регистрация №1960010987).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 7 работ, в том числе в журнале «Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья».».Пилучен патент на полезную мод-^л., №46256 «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, приложений и списка литературы из 97 наименований, и изложена на 105 страницах.

Блок - схема диссертационной работы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи исследования, их научная новизна и практическая значимость. Приводятся результаты апробации работы.

В .первой главе приведен анализ существующих способов получения шампанского: классический бутылочный способ, непрерывный способ шампанизации в блоке последовательно установленных биореакторов и двухаппаратный способ. Шампанизацию вина бутылочным методом можно рассматривать как биофизический процесс, реализуемый в аппаратах периодического действия, с заданной степенью превращения. Процессы, происходящие в режиме идеального вытеснения, практически идентичны процессам шампанизации вина в бутылках.

. . Продолжительность процесса шампанизации вина определяется в основном временем полного исчерпывания ресурсов дрожжей. Дрожжевые клетки в непрерывном процессе шампанизации выполняют основные функции (дискретно) на различных этапах метаболической деятельности в зависимости от возраста и условий шампанизации.

Рассмотрены конструкции применяемых в настоящее время биореакторов непрерывного действия. Проанализирован с кинетических позиций процесс брожения при шампанизации вина в биореакторах непрерывного действия.

Процесс шампанизации вина описывается кинетическим уравнением мономолекулярной реакции х = х

п

к = 1-\ п*1 ,ч\ т х

где х и х„ — текущая и начальная концентрация сахара, к константа скорости реакции;

т — продолжительность процесса пребывания дрожжевых клеток в биореакторе.

Средняя константа скорости реакции составляет

к =5,6-10~3 ч '.

..................Г X ..........

.......Показано, что при непрерывной шампанизации вина в блоке реакторов константа скорости процесса резко снижается по ходу движения бродильной смеси. ........

Из рисунка 1 следует, что при бутылочном способе шампанизации зависимость Х=/(т) (кривая I), имеет плавный характер, что указывает

на раг.иомерность процесса сбраживания сахара. В этом случае сахар почти полностью сбраживается. . ..

Процесс брожения в установке непрерывного действия (кривая 2) в первые сутки по интенсивности соответствует кривой I, а затем значительно замедляется. Концентрация несброженного сахара составляет 3 г/л. При бутылочном способе концентрация сахара около 1 г/л .

Причиной снижения скорости процесса шампанизации, очевидно, является низкая концентрация дрожжевых клеток, в виду их осаждения в 1 и 2 реакторах (акратофорах), вследствие сопоставимости скорости бродильной смеси в биореакторе и скорости осаждения дрожжевых клеток.

1 — в бутылках (классический способ); 2 —в непрерывной установке; 3 — в двухаппаратной установке.

При этом нарушается последовательный процесс взаимодействия дрожжевых клеток, изменяющихся во времени и пространстве по физическим и функциональным свойствам с изменяющимся по составу шампанизируемым вином.

Таким образом, при течении системы вино-дрожжи, направления движения потока вина и дрожжевых клеток в аппарате должны совпадать; т.е. продольное перемешивание во всем объеме реактора должно быть исключено. Кроме того, перемешивание вина и дрожжевых клеток во всем объеме проточного аппарата снижает эффективность процесса шампанизации по следующим причинам:

- имеет место проскок бродильной смеси в биореакторе, поступившей в аппарат в зависимости от интенсивности перемешивания. Очевидно, что это обстоятельство не может не.сказаться на качестве продукта к общем технологическом КПД дрожжевых клеток;

- выровненный по всему объему состав вина уменьшает движущую силу процесса и создает неблагоприятные условия для формирования шампанского высокого качества:

- дрожжевые клетки различного возраста и, следовательно, различных функциональных возможностей находятся в неодинаковых условиях, в то время как в хвостовой части концентрация продуктов метаболизма дрожжей должна быть максимальной, а концентрация сахара -минимальной, в головной же части - наоборот, что соответственно должно содействовать ускорению автолитических процессов у "отработавших" по функции брожения дрожжевых клеток и предупреждению раннего ингибирования молодых клеток;

- молодые дрожжевые клетки, контактируя во всем объеме аппарата и, в частности, на выходе из него с шампанизированным вином, снижают его качество, адсорбируя биоактивные и ароматические вещества.

Анализ аппаратурно-технологических схем производства шампанского показывает, что в них используются либо пустотелые емкостные биореактора, либо заполненные насадкой (древесной стружкой, кольцами Рашига или обрезками полиэтиленовых труб).

Бродильная смесь вводится снизу биореактора, а выводится сверху. При низких скоростях течения бродильной смеси может происходить разделение бродильной смеси в результате осаждения дрожжевых клеток.

Этим обстоятельством, в частности, объясняется снижение скорости процесса шампанизации вина и, как следствие, дополнительной дозировки дрожжевой разводки в биореакторах (рисунок 1).

Рациональная организация процесса позволяет сократить продолжительность шампанизации и повысить его качество.

Анализ аппаратурно-технологических линий непрерывного производства шШпанскогоикбнструЩйй бйореакторов для шампанизации вина

позволил сформулировать требования к биорёактору непрерывного действия.

Эти требования реализуются при увеличении соотношения высоты (длины) к диаметру биореактора.

При увеличении ЬЛЭ снижается вероятность образования застойных и байпасных зон, продольного перемешивания в биореакторе, осаждения дрожжевых клеток.

В биореакторе должны присутствовать дрожжевые клетки всех возрастов, Дрожжевые клетки должны располагаться в реакторе последовательно: молодые клетки в головной части биореактора, затем по ходу процесса (длине реактора) с увеличением возраста.

В биореакторе идеального вытеснения не происходит продольного перемешивания культуральной жидкости и дрожжевых клеток вдоль потока, а. только в перпендикулярном направлении. Продолжительность пребывания в реакторе всех дрожжевых клеток должно быть одинаковым.

Ут

где Ь - высота (длина) реактора, /■' - площадь поперечного сечения, Ут -секундная производительность.

Конструкция реактора должна обеспечивать температурный режим брожения, близкий к адиабатическому, в пределах 8...12°С с помощью хладотеплоносителя.

Объем биореакторов должен быть доступен для мойки и дезинфекции.

Во второй главе изложены теоретические основы интенсификации процесса шампанизации вин.

Теоретической основой интенсификации непрерывного процесса шампанизации вин является теория непрерывных процессов, разработанная проф. Плановским А.Н. и развитая в работах Николаева П.И. — разработка непрерывного способа получения белково-витаминных концентратов, проф. Саришвили Н.Г. - разработка непрерывного процесса шампанизации вин* проф. Левина А.Н., проф. Кавецкого Г.Д. и др.

Эффективность технологического процесса, как известно, определяется распределением концентраций (температур) в объеме реактора, которая обусловлена гидродинамической обстановкой в реакторе.

Для характеристики перемешивания потоков в биореакторе используются гидродинамические модели перемешивания: модель идеального вытеснения, модель идеального перемешивания, диффузионная и псевдо-секционная(ячссчная) модели...........

Рассмотрим гидродинамические модели перемешивания и структуры

ПОТОКОВ,..... • .'¡- ...... ..•......

Модель идеального вытеснения описывает поршневое течение , вдоль потока при перемешивании потока в перпендикулярном направле- , нии. Время: пребывания частиц^ в биореакторе одинаково и равно отноше- , нию объема реактора к объемному расходу жидкости.

В аппаратах идеального вытеснения концентрация (температура) меняется плавно от начальной до конечной.

Модели идеального вытеснения соответствуют процессам в трубчатыхреакторах присоотнбЖёни'и длины к диаметру равных 20 и более.

■ Модель идеального перемешивания предполагает равномерное" распределение вещества во всем потоке.

В аппаратах Идеального перемешивания концентрация (температура) во всем объеме одинакова я равна концентрации (температуре) на выходе из аппарата. ." :

Процессы в аппаратах с интенсивным перемешиванием подчиняются моделям идеального перемешивания.

Диффузионная модель,.^Рднопараметрическая модель в основном используете^ для ошшани^,,процесса вытеснения, осложнённого обратным перемешиванием.. Параметром, характеризующим обратное перемешивание, я вляется коэффициент продольного перемешивания. ' •

Принимается допущение, что объемная скорость потока и коэффициент продольного перемешивания £>д остаются постоянными по длине потока и площади поперечного сечения потока.

Псевдосекционная (ячеечная) модель.

При разработке «псевдосекционного» метода учета перемешивания и структуры потоков нами были использованы положения, выдвинутые Е. Киршбаумом и А.Н. Плановским. В основе этого метода лежит представление о существовании псевдосекций полного перемешивания в биореакторе или на его элементе, знание числа которого позволяет вычислить движущую силу, в.. биореакторе при любом реальном распределении дрожжевых клеток в зависимости от их возраста по высоте (длине) биореактора, получить выражен^ для расчета коэффициента использования движущей силы, учитывающего продольное перемешивание и структуру потока культуралыюй жидкс?схи, о биореакторе, которые используются для расчета коэффициента массоотдачи (рисунок 2).

Хи „ ^ .

Рисунок 2 - Схема псевдосекционного биореактора.

■ ..........ю

Псевдосекционная (ячеечная) модель перемешивания построена из допущений о подобии перемешивания-частиц в канале и в каскаде из N последовательно соединенных секций полного переметивания и ; описывается системой линейных дифференциальных уравнений' первого порядка вида ■ * ' <>!•■■.• 1 (1х, . ■ , ■ ■ !

Т7"3--«"Ч*»:-'-антаи!

..... N ат , Л

.........Связь между числом псевдосекций ^ и дисперсией подчиняется соот- ■

ношению: . ,. .

N .. о-1 {о-ь) у '

или при Л/> 10: ,

.,2-/1 ..о А ' - .

N и-Ь- '

При условии равенства объемов псевдосекций идеального перемешивания, что соответствует минимальному рабочему объему аппарата, изменение концентраций в N — м псевдосекционном аппарате подчиняется уравнению ...... '

1 + Y

tr 0-1)!

■ '1 ■ riinUT

• • '.f.,1 •• >U0HIWJ30)ÙUU3n где Xi, x„ — текущая и начальная концентрации сахара;

■...-. ■ " ■ ■■ -.ГИ ! . ...,..,•!• .•<•. nni 1

. ■>' [:1<-..1<;д Hf-J- "J. >_РК"-'

тл — время пребывания в аппарате идеальног о .вытеснения, ла ~ у >

г

!.-■>' HM-.KI WKHltl-.M.» • •

Vp - рабочий объем биореактора м3;1 ^ *• секундный расход м3/с. Уравнение описывает семейство кривых вьШЫвания трассера введенного в канал индикатора.

На рисунке 3 приведены Теоретические кривые вымывания при /V 1...5,7,10,20. '

На основании экспериментов по «вымыванию» трассера (модельной жидкости) определяют число псевдосекций и по нему находят коэффициент использования, движущей силы, позволяющий вычислить продолжительность процесса..

0,2 0,4 0,60,61,01,2 1,4 1,6.1,8 2,0 // 2.4 2,6 т/Ьв ,/ . ■

Рисунок 3 -Кривые вымывания при 1,2, 3,4, 5, 7, 10, 20, со , ,

Достоинством этого метода является аналитическая возможность контроля Ел — диаграммы путем сравнения экспериментальных кривых вы-

мывания в координатах —и - '

с теоретическими.

*в

Из последнего уравнения можно получить несколько значений концентрациитрассеранв зависимости от времени и продольного перемешивания (числа псевдосекций)

г

Xу Хм

V г./ (ЛГ-1)! \ т./ (ЛГ-2)! г.

■ехр

Комбинированные модели состоят из различных комбинаций типовых гидродинамических моделей — идеального перемешивания и идеального вытеснения — и зон, моделирующих проскок или байпас части потока.

Ряд наиболее общих комбинированных моделей для проточных химических реакторов приведен в монографии В.В. Кафарова. Помимо типовых гидродинамических' моделей используются также модели каскада ячеек с неидеальным перемепМванием между ступенями, например: канальная, циркуляционная и ряд'других моделей. Некоторые комбинированные модели приведены в диссертации. -

При построении комбинированных моделей для двухфазных систем приняты возможные гипотетические случаи движения потоков: например, поток движется в аппарате двумя параллельными потоками с различной степенью перемешивания, т.е. М = ЛЬ, или при движении потока особенно

в биогенераторе, заполненном насадкой, образуются застойные и байпас-ные зоны, при низких линейных скоростях или происхбди1\проскок части потока. Как правило, движение основного потока* в, описыва-

ется псевдосекционной моделью перемешивания, а для учетагрециркуля-ции или проскока части потока к основному каскаду подключается «моделирующая» секция. При этом предполагается, .'что поток культуральной жидкости равномерно распределен по поперечному сечению биореактора.

Сравнение кривых отклика на введенное в аппарат возмущение позволяет выбрать соответствующую полю концентраций в биореакторе модель и ¿пределить ее параметры: наличие зон вытеснения, смешения, бай-пасирования и проскока, и долю потока в каждой из перечисленных зон.

С целью развития модели перемешивания предложена модель, которая учитывает профиль концентрации в жидкости по высоте'(длине) в биореакторе и . описывает" поле концентраций в.. потоке культуральной жидкости. Эта модель позволяет теоретически рассмотреть влияние поперечной неравномерности, и поступающей в биореактор культуральной жидкости на эффективность контактного устройства.

Математическое описание'' процессов вторичного брожении в прямоточных биореакторах. '

В основу математического описания процессов вторичного брожения в прямоточных биореакторах положена секционная (ячеечная) модель перемешивания.

Продолжительность процесса является комплексным скоростным фактором, включающим движущую силу и коэффициент скорости процесса.

В диссертации получено

Е >

Г • ■■чие.и-:-

Ж

где X, ~Е-Х. здесь .......

Ек - коэффициент использования движущей силы в аппарате промежуточного типа.

Из основных уравнений массо-теплообмена получают выражение для вычисления коэффициента масштабно го перехода.

Скорость вторичного брожения при шампанизации вина лимитирует;-;, ся в основном скоростью процесса массообмена, т.е. коэффициентом мас^, соотдачи между клеткой и компонентами вина.

Кинетика вторичного брожения описывается уравнением

...............................................................................................................*

13

в котором Р — - коэффициент массоотдачи, £) — коэффициент молеку-8

лярной диффузии, <5 — толщина пограничного слоя,/ — площадь поверхности дрожжевой клетки, Ем — поверхность массообмена, равная = /'Пк,

т г- продолжительность процесса пребывания! дрожжевых клеток в биореакторе, пк - число активных дрожжевых клеток.

Из этого уравнения определим количество сахара в системе

■ ......" ■ ■

где Б„ — начальная концентрация сахара.

Данные по кинетике вторичного брожения позволяют выбрать рабочий режим процесса шампанизации в аппаратах периодического и непрерывного действия. Следует отметить, что от количества сброженного сахара зависит качество шампанского.

При сбраживании сахара в шампанизированном вине на брют органические кислоты претерпевают полное превращение. Неполное сбраживание сахара тормозит процесс* автолиза дрожжей и, как следствие, не происходит обогащение вина ферментами, аминокислотами и другими компонентами. А!. 0О . 1

Из последнего уравнения, зная коэффициент массоотдачи, можно рассчитать время, необходимое для ¿браживания заданного количества сахара

•ХП! 1Ч11Г' ■:'<! •'С-

1 °я

т яттт^'-т —

где 51! - заданная концентрация сахара в шампанизированном вине.

и Вторичное брожение в биореакторе; идеального вытеснения описывается уравнением: ■ 1 ;

.....,..„.„ .....+и....... +В-р Б-О,

'. -Ь геы •'■.()! м;.Г!: _ , • .Л* м '

от дх . .......„,.

где и — линейная скорость потока.

Г.ТЭКГП.О« ХЧ >.«ч:г- !:'■„-. /о ••••

„л „Т^ ■■■ • ас -Р-р«'х/

Л! П'-Ь" с> • _ О « /и

Для установившегося процесса —=0 имеем "(I,) — "и ' е

0 Г

............С г

с — о Ь — = /?./?._ - а.р .т Принимая длину реактора Ь и °(£) ~ , ^ И у г м пР,

хн

Если время пребывания т„р задано, а нужно найти число реакторов идеальнюго смешения, необходимых для сбраживания заданного количества сахара, то с учетом поверхности массообмена Р^ получим: !

Среднее время пребывания в; установке Т--

■ ........... .......I^ ......................................... \ . V . • ••/ . •.....- ..............

где Гпр ~ ~ - время пребывания дрожжевых клеток в реакторе, Ь — длина

•■ ..реактора.. ■.''-^"^-"'.-'л<-■■

Значение коэффициента маособтдачи зависит :от гйдродинамической обстановки в биореакторе и определяется'скбростыо движения системы 1 дрожжи - вино. Низкие значения коэффициента :массботдачи определяют продолжительность процесса шампанизации йина.

Для ориентировочного расчета значений коэффициента массоотдачи можно воспользоваться' критериальным уравнением Для ламинарного ре- "

№1„=Л -11еп-Рг°-43,

' 41: ' ■ . , /-.иг, I ~I,!' ч."'■'' :

где N11 д - критерий Нуссельта, Ис Ч.критерий Рейнольдса, Ргд- критерий Прандля.

В главе 3 сформулированы требования, предъявляемые к биореактору непрерывного действия и приведена разработка конструкции параллельно-секционированного биореактора непрерывного действия и схема установки для непрёрывйой?йлампаниЗации вина.

-Процесс вторичного ! брожения при шампанизации вина должен протекать в биореакторах по организации процесса близкого к идеальному вытеснению. В этом случае коэффициент масштабного перехода Ф —»■ 1. В этих условиях будет иметь место минимальная продолжительность процесса шампанизации вина. Только в этом случае дрожжевые клетки будут располагаться последовательно с увеличением их возраста и перемещаться по направлению течения системы дрожжи — вино без обратного перемешивания. .....

Старые и молодые дрожжи не должны перемешиваться между собой вдоль длины реактора, а перемещаться в поршневом режиме (идеальное

" вытеснение), т.е. дрожжевые клетки должны располагаться в реакторе по- ' следовательно в функционально — возрастном порядке с увеличением их ; возраста.

2. Все частицы должны находиться в реакторе одинаковое время, т.е. '

.процесс должен протекать в режиме, идеального вытеснения.; -................

Тогда время пребывания частиц в рабочем объеме реактора

•пр

-И

V

3. Дрожжевые клетки не должны осаждаться в биореакторах.

4. Бродильная смесь должна равномерно поступать по перечному сечению реактора. "7 ;

5. Хладагент должен равномерно охлаждать реакционную смесь, обеспечивая адиабатический редким шампанизации.

6. Реактор должен легко очищаться от налипающихся на трубы дрожжей. Указанные требования достигаются при продольном секционировании реактора путем разделения объема биореактора на трубное и межтрубное пространства. В трубном пространстве движется реакционная смесь, а в межтрубном - хладагент..Для равномерного поступления бродильной смеси в трубное пространство смесь перемешивается с помощью мешалки, установленной на входе бродильной смеси в реактор.

Блок - схема биореактора непрерывного действия показана на рисунке 4. . ^ ~ ,

Ьродн.и.ная смесь

Рисунок 4 - Блок-схема биореактора непрерывного действия: 1- зона смешения, 2 — зона вытеснения.

На основе теоретических предпосылок и требований к биореактору разработан трубчатый параллельно-секционированный биореактор непрерывного действия (рисунок 5).

Секционирование достигнуто установкой внутри реактора вертикальных труб 4, размещенных по сторонам правильных шестиугольников и, закрепленных развальцовкой в трубных решетках в верхней и нижней 2.

, Трубь) разделяют объем биореактора н^ трубное и межтрубное пространства. В. трубы непрерывно подается бродильная смесь, а в межтрубное пространство — теплоноситель, который омывает трубы и создает,возможность проведения процесса в режиме близком к адиабатическому при температурах б... 12°С. В нижней части биореактора расположено перемешивающее устройство 7 для выравнивания концентрации бродильной смеси по поперечному сечению на входе в биореактор.

Рисунок 5 - Параллельно-секцйонированнь1Й биореактор ' непрерывного действия. ,.7! ' .'.."'... '.'

I — крышка; 2 — трубные решетки; 3 — корпус; 4 — трубы; 5 — штуцер для хладагента; 6 — днище; .7'-- перемешивающее устройство; 8 — штуцер для входа бродильной смё'сй; 9 ^ двигатель; 10 - штуцер для выхода бродильной смеси. '

В главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований полей концентраций в параллельно-секционированном биореакторе непрерывного действия.

Лабораторная установка состоит из модуля промышленного реактора диаметром 100 мм и высотой 2500 мм, напорного бака, расходомеров, бака для трассера, пробоотборников, измерительной и запорной аппаратуры (рисунок 6).

млйы^нам жидкость

лдедельнан жидкость —

Р=«ДМПа

з X

на фдес

ымдикапиц!

-О-СХН*___4.

¥

-Снхь*

ми фук

• КШЙИЮЧНЮ

Рисунок 6 — Схема лабораторной установки: 1 -модуль; 2 - напорный бак; 3 - ротаметр; 4 — бак для трассера; 5 - пробоотборник; б — регулирующий вентиль.

Модель опытного реактора выполнена из прозрачного поликарбоната, что позволило вести фотосъемку потоков в аппарате, посредством добавления индикатора в модельную жидкость.

Методика эксперимента.

Методика эксперимента заключалась в введении индикатора в поток модельной жидкости на входе в биореактор и в определении концентрации индикатора в модельной жидкости на выходе из биореактора.

Обработка полученных результатов проводилась, используя псевдосекционную модель перемешивания.

В качестве индикатора'Использовался перманганат марганца по следующим причинам: безвреден, доступен, легко анализировать его концентрацию г« модельной жидкости. ^

Определение концентрации индикатора в модельной жидкости выполнялось на фотоэлектрокалориметре.

После выхода лабораторной установки на установившейся режим в основной поток модельной жидкости на входе в биореактор из бака подается трассер. После установления стационарного режима подачу трассера прекращают.

На выходе из биореактора через определенные промежутки времени, в зависимости от расхода модельной жидкости, отбирались пробы через пробоотборник.

Концентрации трассера определялись по оптической плотности с помощью калибровочной кривой.

Конструкция лабораторной установки позволяла заменять модуль биореактора на модуль биогенератора, заполненного насадкой.

В качестве насадки использованы керамические кольца Рашига 25x25x3,5.

Процесс брожения, как было показано выше, представляет собой чрезвычайно сложный процесс, представляющий совокупность гидродинамических, массо-теплообменных, биохимических и других процессов.

При анализе сложных процессов в случаях, когда невозможно или затруднительно определить внутренние связи в системе, используют принцип «черного ящика», широко распространенный в кибернетике.

Этот принцип заключается в том, что, не имея объемной информации о структуре процесса, используют зависимости выходных величин от

■входных-. ■ ...................................

.....Принцип «черного ящика» (рисунок 7) позволяет абстрагироваться от

внутреннего содержания объекта исследования и изучить реакции объекта на различные внешние возмущения.

* II

вход

процесс

XI

выход

Рисунок 7 - Схема «черного ящика».

Представление сложной системы в виде «черного ящика», функционирующего аналогично изучаемому объекту (процессу), облегчает построение математической модели объекта исследования.

Опыты проводились в пустотелом модуле (рисунок 6) при значениях критерия Рейнольдса равных 25,3...44,5 и соотношениях I/О равных 10. ..25.

По полученным данным построены кривые вымывания трассера в ко-

ординатах " '/■

/ Хи /'в

тическими (рисунок 8).

Х/Хи

на Гя - диаграмме, которые сравнивались с теоре-

ОЛОА 0,6 0,6 1,0 1/2 г,4 1,61,810 2$ 2А 2,6 Шд

Рисунок 8 - Сравнение экспериментальных данных по вымыванию . с теоретическими:

Яе=25,3; 1/0=10.

В результате обработки экспериментальных данных для вычисления числа псевдосекций в трубчатом параллельно-секционированном биореакторе получено уравнение:

N ~ 0,3 ■ Яе0,25- ^

................ .........И

справедливое при изменении значения Яе—25,3...44,25,

П

где — ,

при ^ =10. .25 .

. В ;'■,■;■'•'.-.

Как следует из уравнения, продольное перемешивание в основном зависит от соотношения //Л й незначительно зависит от числа Рейнольдса.

Вторая серия экспериментов была проведена в модуле биогенератора, который представлял собой биореактор, заполненный насадкой — кольцами Ришига, для увеличения поверхности массопередачи.

Полученные данные свидетельствуют о наличии значительного продольного перемешивания в биогенераторе с насадкой (ТУ = 3.. .4), наличии застойных и байпасных зон.

Разработка экспериментальной установки для непрерывной шампанизации вина.

На основании анализа аппаратурно—технологических схем непрерывной шампанизации вина и теоретических основ непрерывных процессов разработана блок-схема установки непрерывного действия.

Предложенный принцип организации потока двухфазной системы (шампанизируемое вино — дрожжи) в предложенной конструкции биореактора реализован в непрерывно-действующей "камеральной установке (рисунок 9).

Установка состоит из шести последовательно установленных биореакторов и биогенератора.

Бродильная смесь, содержащая 2,2% сахара и 3...5 млн/мл дрожжевых клеток, в соответствии с «Инструкцией по производству шампанского непрерывным способом» при температуре 8...12°С непрерывно поступает в нижнюю часть биореактора, где расположено перемешивающее устройство, обеспечивающее равномерное распределение потока и дрожжевых

клеток по поперечному сечению биореактора.

■ .............

В каждый модуль поступает „бродильной смеси,

где пм — количество модулей.

Из первого биореактора бродильная смесь поступает по трубопроводу во второй биореактор и т.д. Из последнего биореактора шампанизируемое вино с концентрацией сахара 0,2...0,4% вместе с угнетенными и мертвыми дрожжевыми клетками поступает в биогенератор, модули которого для увеличения поверхности массопередачи заполнены насадкой - кольцами Рашига. Дрожжевые клетки сорбируются на насадке, где происходит их автолиз.

В биогенераторе при контакте шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками происходит обогащение вина биологическими и поверхностно активными веществами.

Для увеличения коэффициента массопередачи взаимодействие шампанизируемого вина с сорбированными на насадке дрожжевыми клетками должно происходить при повышенных критериях Рейнольдса, что достигается циркуляцией шампанизируемого вина в биогенераторе. В этом случае сорбированные дрожжевые клетки будут смываться с насадки и переходить в шампанизируемое вино.

Из биогенератора шампанизированное вино поступает на обработку холодом по принятой технологии.

Рисунок 9 - Принципиальная схема экспериментальной установки: 1-биореактор; 2-биогенератор; 3 —насос.

Как следует из приведенных в диссертации данных, влияние критерия Рейнольдса при ламинарном движении бродильной смеси, при малых его значениях незначительно.

Продольное перемешивание в биореакторе зависит в основном только от /,/£>. Причем при изменении Ь/О от 10 до 25 поле концентраций в трубчатом параллельНосекционированном биореакторе соответствует полю концентраций в аппарате идеального вытеснения, т.е. Ы—* со.

Таким образом, КИДС (коэффициент использования движущей с илы)

— 1 ц соответственно коэффициент масштабного перехода Ф = 1.

Полученные экспериментальные данные показывают, что расчет биореактора может производиться по уравнениям для аппаратов идеального вытеснения.

Поле концентраций в параллельно-секционированном биореакторе описывается математической моделью для биореакторов идеального вытеснения.

Основные результаты и выводы.

1. На основании критического анализа существующих аппаратурно-технологических схем и конструкций биореакторов для производства шампанского устачг- лено, что в первых двух биореактор-х (акратофорах) брожение происходит при высоких скоростях с константой скорости, равной £ = 8,5-10~3, ч"1 , а в последующих биореакторах константа скорости снижается до 5,6■ 103, ч"1. Высокие скорости брожения в двух первых биореакторах, по ходу движения бродильной смеси, можно объяснить повышенной концентрацией дрожжевых клеток вследствие их осаждения в биореакторе. При этом нарушаются условия последовательного взаимодействия шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками различных функциональных возможностей и возрастов. Выровненный по всему объему би=-реактора состав шампанизируемого вина снижает движущую силу процесса и создает неблагоприятные условия для формирования шампанского высокого качества.

2. Сформулированы требования к биореактору непрерывного дейст-.......

вия.

3. Разработан параллельно-секционированный биореактор непрерывного действия для шампанизации вина (Патент на полезную модель №

46256 «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке» приори-......

тет от 24 февраля 2005 г.).

4. В разработанной конструкций биореактора скорость бродильной смеси значительно выше, чем в промышленных биореакторах используемых в винодельческой промышленности, что существенно уменьшает процесс осаждения дрожжевых клеток. Определена средняя скорость осаждения дрожжевых клеток в биореакторе, равная и0= 1,4-10"6 м/с.

5. Теоретически и экспериментально установлено, что разработанный биореактор по полю распределения концентраций приближается к аппаратам идеального вытеснения, т.е. в нем воспроизводится процесс аналогичный брожению в биореакторах периодического действия. Только в этом случае дрожжевые клетки будут располагаться последовательно с увеличением их возраста и перемещаться по направлению течения системы -виногдрожжи без обратного перемешивания.

6. Получено уравнение, описывающее продольное перемешивание в параллельно-секционированном биореакторе:

■ О '

7. На основании экспериментальных исследований продольного перемешивания установлена адекватность сформулированных требований, предъявляемых к биореактору непрерывного действия, экспериментальным данным.

8. Предложена аппаратурно-технологическая схема непрерывной шампанизации вина, базирующаяся на разработанной конструкции биореактора.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кавецкий Г.Д., Степаненкова Л.Н., Семенова Т.И. Патент на полезную модель № 46256. Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке. Приоритет полезной модели 24 февраля 2005 г.

2. Степаненкова Л.Н., Кавецкий Т'.Д. Влияние организации потока в биореакторах непрерывного действия на процесс шампанизации вина. Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья, № 5, 2006.

3. Кавецкий Д.Г, Кавецкий Г.Д, Степаненкова Л.Н. К разработке непрерывного секционного биореактора для шампанизации вина. Сб. научных трудов молодых ученых МГУТУ, Вып. 4, часть 1 - М.: МГУТУ, 2005.

4. Кавецкий Г .Д., Степаненкова Л.Н. Совершенствование и организа-

ция непрерывного процесса шампанизации вина. Теоретические

24 .

основы продесса шампаничации вин. Вяземский филиалМГУТУ, . 2005 Г. .. ................- - ■ '

5. Кавецкий Г.Д, Степаненкова Л.Н., Кавецкий Д.Г. Разработка биореактора непрерывного действия дДящамПанйзацйй'вина:Сб. на-п учных трудов молодых ученых МГУТУ, В ьпт 5, часть'1 - М.:1

. МГУТУ,2005. '■:" 1 .....

6. Кавецкий Г.Д., Степаненкова Л.Н., Кавецкий 'Д.Г. Экспер'имёхг-" тальное исследование продольного перемешиваний' и : структуры ' потоков в параллельно-секционированном биореакторё■ непрёрыв-^

...........ного действия. СбГнаучных трудов молодых ученых МГУТУ — М.:

МГУТУ, вып. 5, 2006. ■ - ■ ' ^

7. Кавецкий Г.Д., Степаненкова Л ЛI.« Био р е а кт ор'н е пр е р ы в ногоЛё й -ствия для шампанизации вина». 1Йёге^йайй,-,,1У'',:<йаучйо-практической ..конференции «Технологйи, !ййучно-тёхни4ёское й информационное обеспечение в образовании, экономике и производстве региона». Вяземский филиал МГУТУ, 2005 г.

«Т01">- "1 'Ч.'ЧОЧГ в.!»>—ч>г:;«(/|..-

•: .--с г.: '■: .'О! г КЧ ■ : ¡;п н>; V ■: ]! г г;. Г) (с»-: ■ ч ;> ::■ ¡ч и;. |

. >,ч-'л Л:

И.П. Г .ЯГ',>И •■..■■;■■ ■■ . ¡, /1 :•:,;-■• ■.•,-"!

! дН '-I! ' -I. - . ■

1 " ' ' 1 О.-И '<¡..1 Г;

МЛ. ':<:• . п

..-;.■'.'!': > >;■■■ ч--. -.-)>,|Г, '41 !■ ':>"¡а X .'.:.';■;

......... .. . . Л0(И

1 •' : . Г»

................■■ Г. «ни .V;; Г"

■ | ■

Отпечатано в ООО «Контур» г.Вязьма, пр. 25 Октября, д.2 Оригинал-макет заказчика Заказ №06-69. Тираж 100 экз.

Введение.

Общая характеристика работы.

Глава 1. Анализ аппаратурно-технологических линий шампанизации вин.

1.1 Общие сведения.

1.2 Бутылочный способ получения шампанского.

1.3 Периодических способ.

1.4 Непрерывный способ.

1.5 Кинетика процесса брожения в различных аппаратурно-технических схемах.

Главной задачей, стоящей перед пищевой промышленностью, в настоящее время является повышение качества и безопасности продуктов питания.

По данным Союза защиты прав потребителей, например, около 60% алкогольных напитков, реализуемых через торговую сеть, являются фальсифицированными и выпускаемые непрофильными предприятиями.

Одной из мер повышения качества безопасности продуктов питания является научно-обоснованная технология производства продукции.

Процесс шампанизации вина представляет собой сочетание гидродинамических, тепло - массообменных, биохимических, биофизических и микробиологических процессов, происходящих при вторичном брожении и последующей выдержки шампанизированного вина при взаимодействии с дрожжами и метаболитами.

Для обеспечения потребности населения в игристых винах, в том числе шампанским, в стране разработан непрерывный метод шампанизации вин, который внедрен на ряде винодельческих предприятий.

В работах [1.5] содержится анализ современного состояния теории и практики шампанизации вин.

В решении проблемы интенсификации биофизикохимических процессов шампанизации вин важное место занимает рациональная организация потока в бродильных аппаратах непрерывного действия, которой посвящен ряд работ в России и за рубежом. [6. 10]

Шампанизация вина представляет собой процесс взаимодействия дрожжевых клеток, изменяющихся во времени по физическим и функциональным свойствам с изменяющимся по составу шампанизируемым вином.

При непрерывной шампанизации в потоке взаимодействие дрожжевых клеток и вина происходит не только во времени, но и в пространстве по длине (высоте) биореактора.

Новая непрерывная технология шампанизации вина позволила повысить качество шампанского и сократить длительность технологического процесса с 3 лет до 410 часов по сравнению с классическим бутылочным. [11,12,13]

Однако за прошедший период времени с запуска линий непрерывной шампанизации вин, возникла необходимость дальнейшего совершенствования конструкции бродильных аппаратов непрерывного действия.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы состоит в дальнейшей оптимизации организации потоков в биореакторах и разработки конструкции биореактора непрерывного действия, работающего в режиме близком к режиму идеального вытеснения.

При разработке принципов конструирования и конкретных конструкций аппаратов для шампанизации вина в потоке необходимо в первую очередь стремиться к созданию наиболее благоприятных условий для направленного взаимодействия фаз с учетом биохимических факторов и технологических особенностей процесса.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является оптимизация потоков и разработка конструкции биореактора непрерывного действия, работающего в режиме близком к режиму идеального вытеснения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: анализ существующих аппаратурно-технологических схем шампанизации вина; анализ кинетики взаимодействия дрожжевых клеток с шампанизируемым вином;

- разработка конструкции биореактора непрерывного действия с оптимизацией потоков приближающегося к аппаратам идеального вытеснения;

- анализ гидродинамических и математических моделей биореакторов непрерывного действия; аналитические и экспериментальные исследования полей концентраций в биореакторе;

- оценка адекватности разработанной конструкции биореактора сформулированным требованиям;

- разработка математических моделей вторичного брожения с учетом гидродинамической обстановки в биореакторе непрерывного действия;

- разработка принципиальной технологической схемы шампанизации вина на базе разработанного биореактора непрерывного действия.

Научная новизна работы состоит:

- в научном обосновании конструкции биореактора непрерывного действия для процесса шампанизации вин, работающего в режиме идеального вытеснения;

- в разработке математических моделей шампанизации вина в биореакторах непрерывного действия;

- в разработке математических моделей процесса шампанизации вина в биореакторах промежуточного типа;

- в разработке комбинированных гидродинамических псевдосекционных моделей шампанизации вина в биореакторах непрерывного действия;

- в результатах по продольному перемешиванию бродильной смеси в параллельно-секционированном биореакторе.

Практическая значимость работы заключается

- в формулировании требований, предъявляемых к биореактору непрерывного действия;

- в разработке параллельно-секционированного биореактора непрерывного действия, приближающегося по полю концентраций к аппаратам идеального вытеснения; (патент №46256 на полезную модель, «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке»);

- в получении параметров, характеризующих поля концентраций;

- в определении скоростей осаждения дрожжевых клеток;

- в разработке аппаратурно-технологической схемы непрерывной шампанизации вин.

Апробация работы. Диссертационная работа докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств», «Естественно-научных и технических дисциплин» Вяземского филиала МГУТУ, «Системы управления», «Информационные технологии» МГУТУ в 2005 - 2006г.г.

Основное содержание работы опубликовано в научных статьях, получен патент на полезную модель №46256 «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке» приоритет от 24 февраля 2005 г.

Результаты работы используются в учебном процессе МГУТУ при чтении дисциплин «Процессы и аппараты пищевых производств», «Технологические процессы и производства», «Оборудование и технология пищевых производств», «Кинетика биохимических процессов».

Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» Московского государственного университета технологии и управления в соответствии с планом НИР «Интенсификация тепло -массообменных процессов в условиях эффективной гидродинамической обстановки» (гос. регистрация №1960010987).

Блок - схема диссе^ационной работы

Основные результаты и выводы.

1. На основании критического анализа существующих аппаратурно-технологических схем и конструкций биореакторов для производства шампанского установлено, что в первых двух биореакторах (акратофорах) брожение происходит при высоких скоростях с константой скорости, равной к = 8,5-10-3, ч"1, а в последующих биореакторах константа скорости снижается до 5,6-10-3, ч"1. Высокие скорости брожения в двух первых биореакторах, по ходу движения бродильной смеси, можно объяснить повышенной концентрацией дрожжевых клеток вследствие их осаждения в биореакторе. При этом нарушаются условия последовательного взаимодействия шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками различных функциональных возможностей и возрастов. Выровненный по всему объему биореактора состав шампанизируемого вина снижает движущую силу процесса и создает неблагоприятные условия для формирования шампанского высокого качества.

2. Сформулированы требования к биореактору непрерывного действия.

3. Разработан параллельно-секционированный биореактор непрерывного действия для шампанизации вина (Патент на полезную модель № 46256 «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке» приоритет от 24 февраля 2005 г.).

4. В разработанной конструкци: реактора скорость бродильной смеси значительно выше, чем в промышленных биореакторах используемых в винодельческой промышленности, что существенно уменьшает процесс осаждения дрожжевых клеток. Определена средняя скорость осаждения дрожжевых клеток в биореакторе, равная и0=1,4- 10"6м/с.

5. Теоретически и экспериментально установлено, что разработанный биореактор по полю распределения концентраций приближается к аппаратам идеального вытеснения, т.е. в нем воспроизводится процесс аналогичный брожению в биореакторах периодического действия. Только в этом случае дрожжевые клетки будут располагаться последовательно с увеличением их возраста и перемещаться по направлению течения системы - вино-дрожжи без обратного перемешивания.

6. Получено уравнение, описывающее продольное перемешивание в параллельно-секционированном биореакторе: = 0,3 Re0'25- — D '

7. На основании экспериментальных исследований продольного перемешивания установлена адекватность сформулированных требований, предъявляемых к биореактору непрерывного действия, экспериментальным данным.

8. Предложена аппаратурно-технологическая схема непрерывной шампанизации вина, базирующаяся на разработанной конструкции биореактора.

Заключения и выводы

Коэффициент использования движущей силы (КИДС) позволяет оценить действительную движущую силу в биореакторе и вычислить реальное значение коэффициента массоотдачи, а следовательно, скорость и продолжительность процесса шампанизации в зависимости от гидродинамической обстановки в биореакторе.

На наш взгляд псевдосекционный метод оценки продольного перемешивания и полей концентраций в реакторах по сравнению с другими методами более эффективен и нагляден [23].

Глава 3. Разработка трубчатого параллельносекционированного биореактора непрерывного действия для шампанизации вин

3.1 Предпосылки к разработке биореактора непрерывного действия

Во всех рассмотренных в главе 1 аппаратурно-технологических схемах используются пустотелые емкостные аппараты либо заполненные насадкой.

За прошедший период времени с запуска линий непрерывной шампанизации вин возникла необходимость дальнейшего совершенствования конструкции бродильных реакторов непрерывного действия.

В решении проблемы дальнейшей интенсификации процессов шампанизации вин важное место занимает рациональная организация потока двухфазной бродильной смеси в биореакторах непрерывного действия.

Продолжительность шампанизации, которая заключается во взаимодействии вина с дрожжевыми клетками, определяется в основном временем полного исчерпывания ресурсов дрожжей. Дрожжевые клетки в непрерывном процессе шампанизации выполняют основные функции дискретно на различных этапах метаболической деятельности в зависимости от возраста и условий шампанизации.

При создании условий последовательного взаимодействия шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками заданных функциональных возможностей, как утверждает Пищиков Г.Б., большая продолжительность контакта не является необходимостью.

При разработке новой конструкции биореактора были учтены следующие требования:

- при течении системы вино - дрожжи направление движения потока вина и дрожжевых клеток должны совпадать, т.е. продольное перемешивание, образования застойных и байпасных зон во всем объеме реактора должно быть исключено. Наличие таких зон снижает эффективность сбраживания, нарушая условия последовательного взаимодействия шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками различных функциональных возможностей и выравнивая возрастной состав дрожжевых клеток в объеме биореактора;

- проскок свежей жидкости, поступившей в биореактор снижает качество продукта и общий технологический КПД дрожжевых клеток; выровненный по объему реактора состав вина снижает движущую силу процесса и создает неблагоприятные условия для формирования шампанского высшего качества;

- дрожжевые клетки различного возраста, а, следовательно, различных функциональных возможностей находятся в неодинаковых условиях. Молодые дрожжевые клетки, контактируя во всем объеме реактора и в частности на выходе из него с шампанизируемым вином, снижают его качество, адсорбируя биоактивные и ароматические вещества. Блок - схема биореактора непрерывного действия и характер изменения концентраций в реакторе приведена на рисунке 3.1.

3.2 Требования, предъявляемые к биореактору непрерывного действия

1. Все частицы должны находиться в реакторе одинаковое время, т.е. процесс должен протекать в режиме идеального вытеснения. Тогда время пребывание частиц в рабочем объеме реактора

VP т=—-,сек К где Vp - рабочий объем реактора, м3; VT - секундный расход, мЗ/с. Старые и молодые дрожжи не должны перемешиваться между собой вдоль длины реактора, а перемещаться в поршневом режиме (идеальное вытеснение), т.е. дрожжевые клетки должны располагаться в реакторе последовательность в функционально-возрастном порядке с увеличением их возраста.

1 .Бродильная смесь должна равномерна поступать по поперечному сечению реактора.

2. Хладагент должен равномерно охлаждать реакционную смесь, обеспечивая адиабатический режим шампанизации;

3. Трубное пространство должно легко очищаться, наподобие ствола ружья.

Указанные требования достигаются при продольном секционировании реактора путем разделения объема биореактора на трубное и межтрубное пространства. В трубном пространстве движется реакционная смесь, а в межтрубном - хладагент. Для равномерного поступления бродильной смеси в трубное пространство смесь перемешивается с помощью мешалки, установленной на входе бродильной смеси в реактор.

Рисунок 3.1- Блок схема биореактора непрерывного действия. 1 - зона смешения, 2 - зона идеального вытеснения.

Рисунок 3.2 - Параллельно-секционированный биореактор непрерывного действия: 1 - крышка; 2 - трубные решетки; 3 - корпус; 4 - трубы; 5 - штуцер для хладагента; 6 - днище; 7 - перемешивающее устройство; 8 -штуцер для входа бродильной смеси; 9 - двигатель; 10 - штуцер для выхода бродильной смеси.

3.3 Биореактор непрерывного действия

На основе теоретических предпосылок и требований к биореактору разработан трубчатый параллельно-секционированный биореактор непрерывного действия [42, 43,44].

Секционирование достигнуто установкой внутри реактора вертикальных труб - 5, размещенных по сторонам правильных шестиугольников и закрепленных развальцовкой в трубных решетках в верхней и нижней - 4.

Трубы разделяют объем биореактора на трубное и межтрубное пространства. В трубы непрерывного подается бродильная смесь, а в межтрубное - теплоноситель, который омывает трубы и создает возможность проведении процесса в режиме близком к адиабатическом при температурах 6.12°С. В нижней части реактора расположено перемешивающее устройство - 6 для выравнивания концентрации бродильной смеси по поперечному сечению на входе в реактор (П -2).

3.4 Гидродинамический расчет биореактора идеального вытеснения

Производительность установки, состоящей из 6 бродильных аппаратов

Размеры модуля: d — 0,1м, длина L = Зм. В реакторе расположены 6 модулей (рис. 3.2) Объем модуля: VM = 0,785 • d*h = 0,02355 м3.

Объем 6 модулей: VM6 = 0,02355 * 6 = 0,1413 мЗ. Производительность одного модуля: примем:

V, =8.575 дал

1. Саришвили Н.Г. Разработка и промышленное освоение технологии Советского шампанского непрерывным способом. Докт. диссертация в форме научного доклада. — М.: ВНИИиВ, «Магараг», 1982 — 67с

2. Брусиловский С.А., Мельников А.И., Мержаннан А.А., Саришвипи Н.Г. Производство Советского шампанского непрерывным способом. — М.: Пищевая промышленность, 1977 — 232с

3. Авакянц С. Игристые вина — М.: Агропромиздат, 1986 — 272с

4. Рейтблат Б.Б. Научное обоснование и разработка технологии шампанизации вина на основе регулирование физиологии и метаболизма дрожжей, докт. Диссертация в форме научного доклада. — М.: РАСХН, 1997—67с

5. Пищиков Г.Б., Саришвили Н.Г., Формирование потока в аппаратах непрерывной шампанизации вина — М.: Виноград и вино России. 1996. №21.20—23с

6. Пищиков Г.Б. Докт. диссер.: М.: 2001.

7. Саришвили Н.Г, Дубинчук JI.B., Рейтблат Б.Б., Чапликене В.И. Межведомственные испытания способа шампанизации вина в одноемкостной системе на Алитусском комбинате шампанских вин. М.: АргоНИИТЭИПП. 1989. №11.

8. Способ шампанизации вина в непрерывном потоке и установка для осуществления способа. А.с. №122467. Агабальянц Г.Г., Мержаниан JI.A., Брусиловский С.А. —БИ. 1959. №18.

9. Способ шампанизации вина в непрерывном потоке. А.с. №582279. Саришвили Н.Г, Орешкина А.Е. —БИ. — 1977. №44.

10. Способ производства шампанизации вин в непрерывном потоке. А.с. №687116. Саришвили Н.Г., Орешкина А.Е., Мержаниан А.А., Строчевой Е.Н., Белоусова И.Д. — БИ. 1979. №35

11. Способ шампанизации вина в непрерывном потоке. Саришвили Н.Г., Орешкина А.Е., Строчевой Е.Н. А.с. №730805. — БИ. 1978. №8

12. Способ шампанизации вина в непрерывном потоке. Саришвили Н.Г., Рейтблат Б.Б, Строчевой Е.Н., Ваганов В.М. Патент №290626. 1988.

13. Способ производства «Советского Шампанского» в непрерывном потоке. Рейтблат Б.Б, Саришвили Н.Г. Патент РФ №2027750. — БИ 1996. №3

14. Кафаров ВВ., Шестопалов ВВ., Маринина Е.Н. Хим. пром., №7,1967.

15. Нечаев А.П., Шуб И.С. и др. Технология пищевых производств, (под ред. Нечаева А.П.) — М.: Колос С, 2005. с.768.

16. Саришвили Н.Г., Рейтблат Б.Б. Микробиологические основы технологии шампанизации вина. — М.: Пищевая промышленность, 2000 — 364 с

17. Кантере В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. М.: Агропромиздат. 1990. — 27 1 с.

18. Гапонов К.П. Процессы и аппараты микробиологического синтеза. — М.: Легкая и пищевая промышленность. 1981. — 240с.

19. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. М.: Колос. 1997-2000-551с.

20. Пищиков Г.Б., Саришвили Н.Г. Динамика процесса брожения при шампанизации вина Виноград и вина России. 1987 №3с24 — 26

21. Плановский А.Н., Хим. пром.; №4,5, 1944

22. Плановский А. Н., Гуревич Д.А., Аппаратура промышленности органических полупродуктов и красителей. М.: Химия, 1987.- 496 с.

23. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии — М.: Химия, 1987.- 496 с.

24. Planovsky A., Nikolaev P. Unit operations and Equipment of Chemical Engineering M.: Mir, 1990. - 560 c.

25. Николаев П.И. Докт. диссерт. — М.: МИХМ, 1964.

26. Кавецкий Г.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Агропромиздат, 1991. —432 с.

27. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии — М.: Химия, 1968. —379 с.

28. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. — М.: Химия, 1969. —624 с.

29. Гельперин Н.И., Пебалк В.Л., Костанян А.Е. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. — М.:1. Химия, 1977. -262 с.

30. Teylor В.Т., Ргос, Roy, Soc. А 219.186,1953$ А 225. 473. 1954$ А 223. 446, 1954.3 l.S'jenitzer F., Petrol. Eng/Dez. 1958

31. De Marie F., White R.R., A. JchE. J., 6,4733,1960

32. Levenspiel 0., Jnd. Eng. Chem. Fund. 5 №11, 86,1966

33. Kirschbaum E., Chem. Fabrik, 6,431,1933

34. Кавецкий Г.Д. Докт. диссерт. M.: МИХМ, 1976

35. Николаев П.И., Соколов Д.П. Аналитический метод определения коэффициентов кинетического уравнения процессов культивирования микроорганизмов/ЛПрикладная биохимия и микробиология. 1968. т.5

36. Николаев П.И., Соколов Д.П. Кинетические зависимости процессов культивирования микроорганизмов/ЯТрикладная биохимия и микробиология. 1968. т.4.

37. Пищиков Г.Б. Кинетика брожения при шампанизации вина. Виноград и вино России, 1999, .№4, с 29.

38. Пищиков Г.Б. Процесс брожения при шампанизации вина в биохимических реакторах диффузионного типа. Виноград и вино России, 1997, с 23 — 24.

39. Кавецкий Г.Д., Плановский А.Н., Иванюков Д.В. Хим. и технология топлив и масел, №9,1968

40. Касаткин А.Г., Плановский А.Н. Хим. пром. №9,1963.

41. Кавецкий Г.Д., Степаненкова Л.Н., Семенова Т.И. Патент на полезную модель .№ 46256, Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке. Приоритет полезной модели 24 февраля 2005 г.

42. Кавецкий Г.Д., Воробьева А.В. Технологические процессы и производства М.: Колос, 2006.

43. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: ГОСХимиздат, 1960. 830 с.

44. Путилов И.Н. Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии. — М.: Высшая школа 1961, 341 с.

45. Аношин И.М., Мержаниан А.А., Пищиков Г.Б., Саришвили Н.Г., Строгачева Е.Н. Ас 700542 Аппарат для шампанизации вина внепрерывном потоке, БИ 1973 №44.

46. Пищиков Б.Б., Саришвили Н.Г. Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке СЦНТИ, 1981, .№561

47. Нищиков Г.Б., Саришвили Н.Г. К теории биохимических реакторов идеального вытеснения. — Хранение и переработка сельхозсырья 1996, №6 с. 10-11

48. Пищиков Г.Б. Осаждение дрожжевых клеток в аппаратах непрерывной шампанизации — Виноград и вино России 1996, №6 с. 30 31

49. Пищиков Г.Д. Динамика перемещения дрожжевых клеток в аппаратах непрерывной шампанизации. — Виноград и вино России 1996, №1 с.16 17

50. Кавецкий Г.Д., Степаненкова JI.H., Кавецкий Д.Г. Разработка биореактора непрерывного действия для шампанизации вина. Сб. научных трудов молодых ученых МГУТУ, вып.5, часть 1 — М.: МГУТУ. 2005.

51. Кавецкий Г.Д., Степаненкова JI.H., Кавецкий Д.Г. Экспериментальное исследование продольного перемешивания и структуры потоков в параллельно-секционированном биореакторе непрерывного действия.

52. Van dez Laan Е. Th., Chem. Eng. Sci, 7. 187 1958

53. Дж. Перрии. Справочник инженера химика М.: Химия, 1969 - 504 с.

54. Плаксин Ю.М, Ларин Н.Н., Малахов Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств — Open.: Изд. Орловского государственного технического университета, 2001.— 687 с.

55. Кафаров В.В. Основы массопередачи, М: Высшая школа— 1972,-496 с.

56. Машины и аппараты пищевых производств. Кн.1. Под ред. акад. РАСХН. В .А. Панфилова—М.: Высш. Шк., 2001. —703 с.

57. Кавецкий Д.Г., Кавецкий Г.Д., Степаненкова JI.H. К разработке непрерывного секционного биореактора для шампанизации вина. Сб. научных трудов молодых ученых МГУТУ, вып. 4, часть 1 — М.: МГУТУ. 2005. с.22

58. Степаненкова JI.H., Кавецкий Г.Д. Влияние организации потока в биореакторах непрерывного действия на процесс шампанизации вина. Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья, № 6,2006.

59. Вакарчук JI. Т. Технология переработки винограда. — М.: Агропромиздат,1990,—271 с.

60. Валуйко Г. Г. Виноградные вина. — М.: Пищевая промышленность, 1978. —254 с.

61. Валуйко Г. Г. О гигиенической и пищевой ценности виноградных вин. — Ялта: ВНИИВиПП «Магарач», 1990. —24 с.

62. Валуйко Г. Г., Зинченко В. И., Мехузла Н. А. Стабилизация виноградных вин. — Симферополь: Таврида, 1999. — 108 с.

63. Дженеев С. Ю., Рыбинцев В.А., Клепайло т. и. Состояние и тенденции развития виноградарства и виноделия в мире. — Ялта: ВНИИВиПП «Магарач», 1989. —67 с.

64. Донченко JI. В. Технология пектина и пектинопродуктов. М.: ДеЛи, 2000. —255 с.

65. Донченко Л. В., Надыкта В. Д. Безопасность пищевой продукции. — М.: Пищепромиздат, 2001. —528 с.

66. Зайчик Ц. Р. Оборудование предприятий винодельческой промышленности. — М.: Агропромиздат, 1988. — 352 с.

67. Кишковский 3. Н., Мержаниан Н. А. Технология вина. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. — 504 с.

68. Кишковский 3. Н., Скурихин И. М. Химия вина. — М.: Агропромиздат, 1988.—254 с.

69. Книга о вине/ Я. М. Ена, В. В. Лавчун, А. В. Соловьев, М. А. Чайковская.

70. Донецк: Донеччина, 1994. — 254 с.

71. Теория и практика виноделия/Ж. Риберо-Гайно, Э. Пейно и др. Т. II, III, IV - М.: Пищевая промышленность, 1979—1981.

72. Фролов-Багреев А. М. Труды по химии и технологии вина. — М.: Пищепромиздат, 1958.—355 с.

73. Химико-технологический контроль виноделия. Под ред. Г. Г. Агабальянца.

74. М.: Пищевая промышленность, 1969. — 560 с.

75. Шольц Е. П., Пономарев В. Ф. Технология переработки винограда. — М.: Агропромиздат, 1990. — 447 с.

76. Энциклопедия виноградарства (T.I, II, III). — Кишинев: Гл. ред. Молд. Сов. энциклопедия, 1986—1987.

77. Современные способы производства виноградных вин/Под общ. ред. Г. Г. Валуйко. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. — 328 с.

78. Справочник по виноделию/Под ред. Г. Г. Валуйко и В. Т. Косюры. — Симферополь: Таврия. 2000. —620 с.

79. Сборник основных правил, технологических инструкций и нормативных материалов по производству винодельческой продукции/Под общ. ред. Н. Г. Саришвили. — М.: Пищевая промышленность, 1999. — 242 с.

80. Методические рекомендации по технологической оценке сортов винограда для виноделия/Г.Г. Валуйко, Е. П. Шольц, JI. П. Трошин. — Ялта: ВНИИВиВ «Магарач», 1983. —72 с.

81. Методические рекомендации по комплексной оценке винограда как сырья для переработкя/С. В. Баранова, Ф. М. Буртова, Б. С. Гаина и др. М.: АгроНИИТЭИПП, 1988,№6. - 145 с.

82. Негруль. Виноградарство и виноделие. —М.: Колос, 1968. —512 с.

83. Нилов В. И., Скурихин И. М. Химия виноделия. — М.: Пищевая промышленность, 1967. — 442 с.

84. Простосердов Н. Н. Основы виноделия. — М.: Пищепромиздат, 1955. — 244 с.

85. Простосердов Н. Н. Основы де1устации вина. — М.: Пищепромиздат,1952.—83с.

86. Попов К. С. Основы производства Советского шампанского и игристых вин. — М.: Пищевая промышленность, 1970.— 215 с.

87. Пути повышения стабильности вин и виноматериалов. Сб. научных трудов/Под общ. ред. Г. Г. Валуйко. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. — 111 с.

88. Родопуло А. К. Основы биохимии виноделия. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. —240 с.

89. Сборник технологических инструкций, правил и нормативных материалов по винодельческой промышленности/Под ред. Г. Г. Валуйко. — М.: Агропромиздат, 1985.—511 с.

90. Сборник основных правил, технологических инструкций и нормативных материалов по производству винодельческой продукции/Под общ. ред.

91. Н.Г. Саришвили. —М.: Пищевая промышленность, 1999. — 242 с.

92. Авакянц С.П. Биохимические основы технологии шампанского. М.: Пищевая промышленность, 1980,351 с.

93. Агабальянц Г.Г. Избранные работы по химии и технологии вина, шампанского и коньяка. -М.: Пищевая промышленность, 1972 г., 615 с.

94. Бабьева И.П., Голубев В.И. Методы выделения и идентификации дрожжей. -М.: Пищевая промышленность, 1979,120 с.

95. Белоусова И.Д., Авакянц С.П. Биохимическая характеристика способов обработки виноматериалов перед шампанизацией//Известия вузов СССР. Пищевая технология. 1971 г. №2, стр. 92-96

96. Белоусова И.Д., Саришвили Н.Г., Сторчевой Е.Н. и др. Оптимизация температуры при шампанизации вина в непрерывном потоке. М.: ЦНИИТЭИпищепром. 1977. №10, с. 6-8.

97. Визельман Б.Б., Саришвили Н.Г., Иванов O.K. Оптимизация и прогнозирование процесса культивирования дрожжей шампанского производства. -М.: ЦНИИТЭИпищепром. 1977. №9, с. 7-10.

98. Дробоглав Е.С., Дубинчук JI.B., Глонина Н.Н. Превращение углекислоты в процессе шампанизации.// Известия вузов. Пищевая технология. 1971, вып.6, с. 42-44.

99. Квасников Е.И., Саришвили Н.Г. Основные принципы культивирования дрожжей в непрерывном потоке шампанского производства.// Виноделие и виноградарство СССР. 1963, №5, с. 8-121. ВШССТЙеКАЖ ФВДЖРАЩШШ1. ЙЙЙЙЙЙ (f й т шш Й й Йй й Й ЙЙй й Й й йй й й Й Йй $