автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование нового пеногасящего устройства с целью интенсификации массообменных процессов в кожухотрубном струйно-инжекционном аппарате

N о>

Р с у I

САЖТ-ИтГБУРГСКМ ОРДШ ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗИАМШИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ХОЛОДИЛЫШ ЦРШШШШООТИ

На правах рукопяси

ПОНОМАРЁВ Василий Васильевич

УЖ 663.64.057

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО ПЕНСГАСЯЩЕГО УСТРОЙСТВА С ЦЕЛЬЮ ИНТЕНСИШАЩИ МАССООШБН-¡ШХ ПРОЦЕССОВ В КСИУХОТРУБНШ СТРУШО-ИЖЕК-ЩОШШ АППАРАТБ

05.18.12 - процессы, мешаны и агрега- , ты пищевой прочнголзнноети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканий учено!? степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

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

доктор технических наук, профессор Тишин Вячеслав Борисович

доктор технических наук, профессор Доманский. Игорь Васильевич доктор технических наук, профессор Меткин Вактор Павлович

Ведущее предприятие: Ленинградский дрожжевой завод

Защита диссертации состоится "//) " ¿//ОЛЯ 1992 г. в /У час, на заседании специализированного Совета Д 063.02,02 при Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного ¡Знамена технологическом институте холодильной дрошалевнооти

Ваш,отзыв (в даух экземплярах), заверенный печатью, просим направлять в адрес института: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, '9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "/<?" ^¿/'А_1992 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

. Ученый секретарь специализированного Совета

кандидат технических наук/' ^ • Ю.Г.Сгегадичев

Г ' *,"*" '

| I

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В ряде отраслей промышленности таких, как пищевая, биотехнологическая, химическая, целлвлозно-букажная и некоторых других, многие процессы связаны с переработкой а аэрированием жидкостей, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ) и протекают с образованием стойких пен.

Чрезмерное вспенивание ограничивает полезный 061 ч аппарата, в унос жидкости с пеной из него приводит к нарушению нормального ведения технологического процесса и потере денных продуктов.

Стабилизация уровня пены становится особо актуальной проблемой в процессах культивирования аэробных микроорганизмов, которые находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности таких, как производство уксусной и лимонной кислоты, антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов. Метод культивированвк используется при получении пищевого белка, кормовых а хлебопекарных дрожжей, шампанских вин, пива и т.д.

Развитие данных отраслей промышленности связано с разработкой а внедрением новых высокоэффективных технологий и оборудования, производительность которого лимитируется з основном скорость» переноса кислорода к клеткам микроорганизмов. В этой связи, повызоние эффективности ферментационных аппаратов, в которых происходит культивирование микроорганизмов, может быть достигнуто за счет интенсификации' протекающих в них гаэохсидкостных процессов, что, в овою очередь, позволит повысить концентрацию биомассы в культуральнсй среде и увеличить ее выход с единицы объема аппарата.

Существующие в настоящее время ферментационные аппараты нз позволяют интенсифицировать мессообмен без существенного увеличения энергозатрат на барботирование воздуха и перевешивание среда. Предложенные в последние годы конструкции коаухотрубных струЯно-инзсек-цаонных аппаратов СКСИА) лииены этих недостатков и обладают чрезвычайно высоки/л массообменными характеристикам.

Интенсификация массообменных процессов", как в традиционных ферментерах, так и в новых аппаратах, приводит к повышенном:/ образованию пены. Для предотвращения .выбрасывания ее из аппарата применяют различные способы: химические, физические, механические а комбинированные, из которых наиболее распространенным является химический. Так например, в дрожжевой промышленности традиционно используют олеиновую кислоту (О К ).

Однако при использовании струйно-инкекшонкых ферментеров для культивирования микроорганизмов было установлено, что далее ничтожное количество ОК, при попадании в аэрируемую среду, снижает подачу в нее воздуха, что является косвенным свидетельством ее отрицательного воздействия на протекающие в ашарате мзссообменные процессы. '

В этой связи, <5шш сформулированы цель и задачи данной научно-исследовательской работы.

Цел, работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка нового типа пеногаситедя с фонтанирующим слоем твердых тел, позволяющего, за счет утилизации энергии отходящих из аппарата газов, снизить количество ОК подаваемой для стабилизации уровня пени и интенсифицировать за счет этого процесс культивирования микроорганизмов; исследование влияния химического пено-гасителя,- олеиновой кислоты,- на массообяеннне характеристики процессов протекающих при культивировании микроорганизмов в ферментационных аппаратах на примере КСИА; создание научно-обоснованной методики расчета предлагаемого пеногасителя.

На экспериментальной установке КСИА в модельной среде изучить елияний ОК на основные характеристики маесообмеиного процесса: удельную поверхность контакта фаз (УПКФ) и объемный коэффициент массоотдачи (ОКЫ).

На экспериментальной модели предлагаемого пеногаситедя изучить влияние параметров слоя твердых гел, - высоты слоя, плотности и диаметра входящих в него частиц, - при различных скоростях псевдо-ожижающего газа на стабилизацию уроьня пены в аппарате; оценить гидравлическое сопротивление слоя твердых тел в пеногасителе и затрачиваемую на создание фонтанирующего слоя мощность; определить параметры фонтанирующего слоя твердых тел, создающего предельное гидравлическое сопротивление при котором обеспечивается минимально допустимая инжектирующая способность КСИА позволяющая клеткам микроорганизмов получать достаточное для их роста количество кислорода; выяснить влияние снижения потребления ОК на характеристики процесса культивирования и выход продукта.

Методы исследования. При решении поставленных задач были проведены теоретические и экспериментальные исследования, а также мате-

*) Прохорчик ЙЛ. Интенсификация процесса'инкекции воздуха свобод-ншли струями жидкости в кожухотрубном струйно-инжек'циоином аппарате. Лис. ... канд.техн.наук. -Л.: ЛТИЛЛ, 1й89, -125 и.

математическое моделирование с применением ЭВМ. Эксперименты проводили в лабораторных условиях.

Научная новизна. В работе решены следующие вопросы: на модельной среде установлены зависимости УПКФ и ОКЫ от концентрации в ней ОК; получены й экспериментально подйзёрэдены уравнения определяющие зависимость скорости нарастания пены в рабочем объеме пеногаси-толя от параметров находящегося в нем слоя твердых частиц и скорости псевдоожияающего газа; уточнено уравнение расчета сопротивления создаваемого трехфазным фонтанирующим слоем (ТФС) (твердые частицы, жидкость и газ) возникаадим в предлагаемом поиогасктеле при прохождении через него пени; определена параметры ГФС создающего предельнее гидравлическое сопротивление при котором обеспечивается максимально допустимая инжектирующая способность КСИА позволяющая ¡слеткам микроорганизмов получать достаточное дая их развития количество кислорода; установлено влияние снижения потребления ОН на характеристики процесса культивирования в выход продукта.

Практическая значимость работы. Получены эмпирические зависимости, отражающие влияния ОК на массообменные характеристики процесса культивирования и позволяющие уточнить методику расчета КСИА.

Предложена оригинальная--конструкция пеногясителя о "КС, утилизя-руйцего энергию отходящих из ферментера газов, позволяющего сократить в 2 + 4 раза количество ОК, потребляемое за процесс выращивания хлебопекарных дрожжей, а также увеличить их выход. На данпуй конструкцию получено положительное реиенке о выдаче авторского свидетельства СССР Л 4744651.

Разработана методика расчета пеногасителя с Т<Ю и использована при создания опытно-промышленных образцов на предприятии Райсель-корм /г. Старая Русса/ и Ленинградском дрокзаьои заводе.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, инженеров и аспирантов в СПШП (1989-91 г.г.), на Республиканской научно-технической конференции Гродненского сельскохозяйственного института 1990 г.

Публикации . По теме диссертация опубликовано 3 работы а получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,

6 глав,заключения, списка литературы из 114 наименований и приложений. Работа изложена на ¿У страницах машинописного текста, 30 рисунках, /О таблиц. Общий объем диссертационной работы стр., включая'приложения.

ОСНОВНОЕ содвтнив РАБОТЫ

Используемая для пеногашэшш в дрожжеЕой промышленности олеиновая кислота ОК , как любой химический пеногаситель, существенным образом увеличиваем коалесцирующую способность газовых пузырьков в культуральной среде, что должно прииодигь к снижению У1ЖФ. Согласно механизму действия химического пеногасителя, заключающегося Е растекании его на поверхности пленки газового пузыря, при внесении в среда ОК будет затруднена масооотдача между газом и индкостью.

УчшыЕая вышесказанное еозшмс необходимость в количественной оценке влияния ОК на массообь'ешше процессы протекающие при культивировании шшрорганизкоЕ и проведении соответствующих экспериментальных исследований.

Экспериментальное определение влияния концентраций олеиновой

кислоты в раствора па УПКФ и ОКМ рря КСИА

Исследования по определению А и р^ балл выполнена на модельной среде воздух-раствор сульфита натрия, доя расходов жидкости в диапазоне от 20-1СГ5 до 82-10"^ м3/с к концентрации олеиновой кислоты 0,035 % и 0,0? % на'КША (рис.1).Дцакегр труб КСИА составлял 0,Ш5м, диаметр форсунок 0,006 + 0,013 м.

Б результате экспериментов была установлены зависимости для рес-чета поверхности контакта фаз (2) и объемного коэффициента ыассо-обмена (3) отражающие влияние на эти параметры олеиновой кислоты

Данные зависимости значительно отличаются от аналогичных, полученных без подачи в раствор СК , что позволяет Енести существенные изменения в расчет струйно-шшекционных аппаратов.

Анисимов С.А., Твшин В.Б.. Модель переноса газов Е системе газ--ендкость./Долод - народному хозяйству .Тез.Всесоюэн.научн. техн. конф. -Л.:Л1ИХП, 1991, - 47 с.

для даух режимов купланирования Т-1 и Т-2, о одинаковыми начальными и ко печники концентрациями продукта, но с различными скоростями роста микроорганизмов. Так например, режим Т-1 длится 12, а Т-2 - В часов. Культивирование ешюлняли от начальной концентрации 150 г/л 75$ влажности до конечной концентрации ЗОи г/л. Средний расход воздуха составил У0.+ 60 Ю-5 и3/с.

Установлено, что при использовании пеногасителл с ТФС в исследованном диапазоне размеров, плотности и высоты насыпного слоя тгер-дих частиц, можно добиться снижения потребления олеиновой кислоты в 2 +4 раза согласно следующим эмпирическим зависимостям: для режима Т-1: ^ 2/,

Уок = /0,//Йгг ехрМрсИ(21)

для режима 4-2: р о,ь Л'з Л* ц

При этом эксперименты, проведенные с твердыми частицами диаметром 5,75 мм, ргд - 1и07 кг/м3 и ецсотой иасцпного слоя 54,2 Ю-3 ы показали, что скорость роста дрокяей, но крайней мере не снижается. Остальные же показатели процесса культивирования: скорость потребления кислорода, коэффициент утилизации, удельная скорость растворе нш кислорода и объемный коэффициент моссоотдачп в среднем на 30 % выше, чем в контрольном эксперименте, проведенном без пеногаси-тсля с КО с тем же расходом Еозда/ха. Выход продукта при этом увеличивается на 10 + 15 $(рис. 2 и 3).

Анализ энергетических затрат на пеногяшение

Для оценки эффективности использования данного пеногасятеля било необходимо рассчитать его сопротивление газокндкостному потоку. Оно включает в себя сопротивление самого слоя твердых тел и сопротивление сетки:

= *Рсгт+*Рсп г <23>

гле Лрсгт - ^Хрг/м(1-?г)/Сгит (24)

Коэффициент сопротивления сетки £ , входящпК в формулу (24) определяли экспериментально.

Экспериментальные исследования проведенные с расходами Чг он

кУкУ

а-о-

Ог:40е,?

',6

<0 Ц&

К

I N К

° 2

(»ад ц

гЭткзж? 3

70 60 50 4 0 30

го

20

40

60

№

№

НсьЮ.м

Рис. 2. Зависимость относительного коэффициента утилизации кислороде от расхода инжектируемого газа и их связь с еысотой твердых тел в пеногасителе: линии I и 2 - изменение Ку/Као по высоте слоя Пел линии 3 и 4 - изменение от высоты слоя Не*

л-О/ЛД,

12 И

<0

у» Р5! ^ сГ™~

А л, а **2

о л 30 50 ?0 90

Рио. 3. Изменение относительного выхода:биомассы по высоте слоя твердых тел в пекогасителе.

линия I : в ¿„= 3,15- ю-3-м; 0тв = 2518,? кг/м3; 2 : п с1т»= 5.75-10-3 м; рхл = 1007,0 кг/м3; 6п= 3,90-Ю"3 м; ртг = 1007 кг/м3.

: о

33,6 10"° до 63,2 1.1ГЭ и3/с и твердыми частицами плотностью от 1Ш7 до 2518 кг/м3, диаметрами от 3,15 до 5,75 Ю-3 м показали хорошее совпадете значений д Ре о рассчитанными по формуле (23). Тогда энергетические затраты пеногасителя с ТФС будут рассчитываться следующим образом

N (26)

пен пен

Сравнение их с затратами мощности на разрушение такой же пены роторными пеногасителями рассчитывали по методике, описанной в литературе* показало, что последние были выше почти вдвое.

Определение рациональной высоты слоя

Согласно формулам (21) и (22), расход ОК снижается по мере увеличения высоты олоя твердых частиц и их плотности. Однако зто Еедет к. повышению сопротивления на выходе из КСИА и уменьшению подачи в него воздуха (рис. 2), что в свою очередь приводит к ухудшению качественных показателей процесса культивирования: коэффициента утилизации кислорода Иу , удельной скорости передачи кислорода М , и, в конечном итоге, Еыходу продукта &В (рис. 3).

Поэтому, перед нами встало задача определения рациональной высоты слоя твердых тел Е иеногасителе, обеспечивающее максимально возможное снижение расхода ОК за процесс культивирования при обеспечении клеток минимальным количеством кислорода, достаточным дая их жизнедеятельности.

Минимальное количество подаваемого в среду воздуха определяется минимально допускаемой инжектирующей способностью струи, определяемой по формуле: • ■

(27)

Зная которую,можно определить допускаемый коэффициент сопротивления КСИА и, следовательно, предельно возможное сопротивление

пе ногасигеля:

*Рп7н 6 АрФ~ (28)

где л - энергия струи подводимой в аппарат ..

* Сидоров В.М. Исследование и разработка роторных пенораздилител!'!'!, - Дне. ... канд.техн.наук, -л.: НШлиммош, 1961, - 184 с.

а допуокасннп сопротивления и аппарате:

6011 2

тогда рациональная высота слоя в аппарате определяется по формуле:

Найденное значение высоты слоя позволяет перейти к расчету размеров пеногаоителя.

1. Эксперименты, проведенные на модельной .среде в кокухотрубном струйно-инжекционном аппарате позволили установить значительное

(в 3 + 5 раз) снижение массообмакных характеристик процесса аэрирования: удельной поверхности контакта фаз и объемного коэффициента массоотдачи пои внесении в среду незначительного (тысячные доли процента) количества олеиновой кислоты,

2. Установлены эмпирические уравнения для расчета удельной поверхности контакта фаз и объемного коэффициента массоотдачи в ко-жухотрубном струйно-инжекционном аппарате, учитывающие влияние оле-Ш30Е0К кислоты.

3.-Предложено устройство для стабилизации пены, использующее фонтанирующий сдой твердых частиц, оаижаемых за счет энергии отходящих из ферментера газов.

4. Получена полуэмпирическая зависимость скорости роста пены от параметров слоя твердых частиц, находящихся в предлагаемом пенога-сителе и скорости газа на входе в него.

5. Получено уравнение для расчета сопротивления пеногаоителя с трехфазным (газ, жидкость, тгердое тело) фонтанирующим слоем и проведена ого экспериментальная проверка,

6. Получены эмпирические зависимости расхода олеиновой кислоты

в процессе культивировать микрорганизкое от параметров фонтанирующего слоя е пеногасителе и скорости подаваемого в него газа, а так-ке определены параметры фонтанирующего слоя, обеспечивающие наиболее эффективное пеногашение.

8. Представлена методика расчета предложенного устройства для пе-ногашения. Ожидаемый экономический эффект от внедрения его на Ленинградском дрожжеЕом заводе составит 876 тыс. рублей е год.

(30)

ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные условные обозначения

А - удельная поверхность контакта фаз, м^/м3; Сак - концентрация олеиновой кислоты, %•, - выход дрокжей, кг/о; £ - удельная энергия струи, Вт/м3; НСя - высота слоя твердых тел, м; Ку - коэффициент утилизации кислорода; М - удельная скорость растворения кислорода, кмоль/с; Р - давление, Па; V - объем,м°; Q - расход, м3/с; d - поверхностное натяжение, Н/м; Л _ расстояние между твердыми телами, м; flv - объемный коэффициент мас-соотдачи, с" ; d - диаметр, м; j> - содержание фазы в единице объема; g - ускорение свободного падения, м/с2; ^ - коэффициент сопротивления; лр - потери давления; Па; р - плотность, кг/м3; х - время заполнения объема пеной, с; tf - скорость,м/с.

Обвде индексы к обозначениям

ап - аппарат, г - газ; ж - жидкость;-г/ж - газомдкостной; о - эксперимент, проведенный без пеногасителя; ок - олеиновая кислота; п - пена; пен - пеногаеитель; сл - слой твердых тел; та - твердое тело; сет - сетка, <р - форсунка; два - до.т^скагмыН.

Сеноед-; содержание диссертации опубликовано в следу вам работах

1. Пономарев В.В., Новоселов А,Г. ,'Тишан В.Б. Современные электрофизические и физико-механические способы пеногашепия в микробиологической и пищевой промышленности //Интенсификация процессов и аппаратов пищевых, производств. -Л.:ЛТ1Ш1, 1990. Деп. в АгроНИИГЭИПИ, I0.ÜI.9Ü, №2169.

2. Пономарев В.В., Прохорчик И.П. Проблемы пеногашепия в дрожже-растилышх аппаратах //Некоторые аспекты развития пищевых производств. -Л.: ЛТИХЛ,1990. -Деп. в АгроНШГЭИШ, 19.12.90,

№ 2348.

3. Пономарев В.В., Прохорчик К.11. Стабилизация пены твердыми телами. -В кн.: Машины, агрегаты, процессы и аппараты пищевой технологии. -Л.:Л'ШЛ, 1990, ~ с.27-31.

4. Пономарев П.В., Тиши В,Б., Новоселов А.Г. Аппарат для выращивания микроорганизмов //положительное решение на авторское свидетельство » 4744651 от 22.IO.IS89. .