Рождение вина: балансы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рождение вина: балансы

Переработка винограда сопровождается множеством микробиологических процессов, представляющих собой сложные биохимические реакции разложения органических соединений в результате роста и жизнедеятельности как искусственно вносимых в благоприятную для развития среду культур микроорганизмов, так и спонтанной микрофлоры.

К настоящему времени в практике нашли применение и проводятся направленно процессы спиртового, яблочно-молочного, яблочно-спиртового брожения, биологического азотопонижения, вторичного спиртового брожения, хересования, мадеризации, обескислороживания, сравнительно реже - процессы благородного гниения, в стадии разработки получение биомассы дрожжей, бактерий и грибов на отходах переработки винограда. Одновременно ведется борьба с нежелательными процессами, нередко вызываемыми теми же микроорганизмами.

Технологические расчеты проводятся на основе стехиометрических коэффициентов баланса: основной субстрат - основной продукт. Участвующую в процессе биомассу не учитывают даже там, где ее прирост играет решающее значение (биологическое азотопонижение). Отсутствие необходимых сведений по кинетике балансов микробиологических процессов и анабиозу этих процессов с позиций роста и метаболизма их возбудителей существенно сдерживает совершенствование технологии переработки винограда. Опыт смежных отраслей в данном вопросе малоприменим, поскольку отдельные процессы в виноделии в виду своей сложности не имеют аналогов. Ярким доказательством тому может служить сбраживание сусла на мезге, в котором одновременно протекают тепловые, экстракционные, микробиологические, гидродинамические и биотехнологические процессы.

Многообразие микробиологических и сопутствующих им процессов ведет к необходимости создания единого алгоритма для расчетов процессов переработки винограда.

Универсальная математическая модель микробиологических процессов переработки винограда.

Среди технологических процессов переработки винограда наиболее сложным является брожение. Сложность этого процесса заключается не только в биохимическом механизме его протекания, но и в сопутствуюших ему массообменных процессах, связанных с наличием поверхности раздела твердой (выжимки, взвеси) и жидкой (сусло) Фаз.

Несмотря на существенные различия, протекающих при брожении сусла на мезге процессов, видах участвующих микроорганизмов (винные дрожжи, молочнокислые бактерии, дрожжи-кислотопонижатели), утилизируемом углеродном субстрате, а также методах осуществления процессов представляется возможным дать в общем виде математическую модель, отражающую основные материальные балансы участвующих компонентов, кинетику роста и жизнедеятельности микроорганизмов-возбудителей.

Для построения математической модели рассмотрим наиболее сложный случай - брожение сусла на мезге с участием винных дрожжей, дрожжей-кислотопонижателей рода шизосахаромицес и молочнокислых бактерий.

Фазы; и ферментационной среды из зоны, свободной от твёрдой фазы соответственно, дм³/ч;

V = V + V - текущий объём бродящей массы в аппарате, дм³;

V - объём зоны бродящей массы, свободной от твёрдой фазы, дм³;

V - объём зоны бродящей массы, в котором распределена твёрдая

Фаза (кажущийся объём твёрдой фазы), дм³;

V_T - истинный объём твёрдой фазы в аппарате, дм³;

R = V/V_T - объёмный коэффициент распределения твёрдой фазы в занимаемой ею зоне ферментационной среды;

(R-1) V_T - объём, занимаемый газожидкостной фазой в зоне ферментационной среды с твёрдой фазой;

(R-1)/R - доля объёма газожидкостной фазы в объёме ферментационной среды с твёрдой фазой;

n₁ = V/V - доля объёма ферментационной среды, свободной от твёрдой фазы;

n₂ = V/V - доля объёма ферментационной среды, в которой распределена твёрдая фаза (n₂ = 1 - n₁);

n₂(R-1)/R - доля объёма газожидкостной фазы зоны ферментационной среды с твёрдой фазой в общем объёме ферментационной среды;

D= F/V, - скорости разбавления бродящей массы жидкой, твёрдой и газовой

D_T = F_T/V, Фазами, а также рециркулируемой жидкой средой, ч^-1;

D= F/V,

D = F/V

D = F/V, - удельные скорости отвода из аппарата жидкой, твёрдой и

D = F/V, газовой фаз, ч^-1;

D= F/V

Q_i - текущее количество теплоты в аппарате, кдж;

N, N, N, - массовые концентрации азота (N), кислорода (С), диоксида

C, C, C, углерода (G) и этанола (P) в подаваемых (i-1) в аппарат и

G, G, G, отводимых (i+1) из него жидкой, твёрдой и газовой фазах P, P, P соответственно, г/дм³;

S, S, - массовые концентрации сахаров (глюкозы) (S), яблочной

A, A, кислоты(A), фенольных веществ (W) и молочной кислоты (L) в W, W, подаваемых в аппарат жидкой и твёрдой фазах соответственно, L, L г/дм³;

X, X, X - массовые концентрации винных дрожжей (X), дрожжей - Y, Y, Y кислотопонижателей (Y) и молочнокислых бактерий (Z) в

Z, Z, Z подаваемых (i-1) в аппарат и отводимых (i+1) из него жидкой, твёрдой и газовой фазах соответственно, г/дм³;

N, N^I, C_,C^I, - массовые концентрации азота (N), кислорода (С), диоксида G, G, P_,P, углерода (G), этанола (P) сахаров (S), фенольных веществ (W), S, S, W, W, молочной кислоты (L) и яблочной кислоты (A) в зоне L, L, A, A ферментационной среды свободной от твёрдой фазы (I) и в жидкой фазе объёма среды, в котором распределена твёрдая фаза(II), то есть в объёме (R-1) V_T, г/дм³; X, X, Y, Y, - массовые концентрации микроорганизмов в зоне ферментационной Z, Z среды, свободной от твёрдой фазы (I) и в зоне с твёрдой фазой (II), г/дм³;

K, K, K, K, - коэффициенты, отражающие массоперенос азота, кислорода,

K, K, K, K сахаров, этанола, яблочной кислоты, диоксида углерода, фенольных веществ и молочной кислоты из единицы массы твёрдой фазы в жидкую соответственно;

a_X, a_Y, a_Z, b_X, b_Y, - коэффициенты расхода азота (a), сахаров (b) и кислорода (m) на

b_Z, m_X, m_Y, m_Z образование единицы биомассы винных дрожжей (x), дрожжей - кислотопонижателей (y) и молочнокислых бактерий (z), г соответствующего вещества/г соответствующей биомассы;

м,м,м,м- удельные скорости роста винных дрожжей (X), дрожжей-

м,м кислотопонижателей (Y) и молочнокислых бактерий (Z) в зоне ферментационной среды, свободной от твёрдой фазы (I) и в зоне с твёрдой фазой (II), ч^-1;

q, q, q, - удельные скорости сбраживания сахаров винными дрожжами и q дрожжами-кислотопонижателями в зоне ферментационной среды, свободной от твёрдой фазы (I) и в зоне с твёрдой фазой (II), г сахаров/г соответствующих дрожжей (25% С.В.)*ч;

q, q, q, - удельные скорости сбраживания яблочной кислоты дрожжами-q кислотопонижателями (Y) и молочнокислыми бактериями (Z) в зоне ферментационной среды, свободной от твёрдой фазы (I) и в зоне с твёрдой фазой (II), г яблочной кислоты/г соответствующих микроорганизмов*ч;

ц_Ч,ц_Х,ц_Ж -коэффициенты выноса винных дрожжей, дрожжей кислотопонижателей и молочнокислых бактерий из зоны, свободной от твёрдой фазы (I);

ш_X,ш_Y,ш_Ж - доля винных дрожжей (X), дрожжей-кислотопонижателей (Y) и молочнокислых бактерий(Z) адсорбированных твёрдой фазой в общем количестве каждой из этих групп микроорганизмов в объёме среды, занимаемом твёрдой фазой (V^II_ф);

K, K, K - коэффициенты выхода диоксида углерода при потреблении сахаров на образование единицы биомассы винных дрожжей, дрожжей-кислотопонижателей и молочнокислых бактерий соответственно, г диоксида углерода/г соответствующей биомассы 25%С.В.;

K, K - коэффициенты выхода диоксида углерода из единицы массы сброженных сахаров винными дрожжами и дрожжами-кислотопонижателями соответственно, г диоксида углерода/г сахаров (глюкозы);

K, K - коэффициенты выхода диоксида углерода из единицы массы сброженной яблочной кислоты дрожжами кислотопонижателями и молочнокислыми бактериями соответственно, г диоксида углерода/г яблочной кислоты;

K, K - коэффициенты выхода этанола из единицы массы сброженных сахаров винными дрожжами и дрожжами-кислотопонижателями соответственно, г этанола/г сахаров (глюкозы);

K - коэффициент выхода этанола из единицы массы сброженной яблочной кислоты дрожжами кислотопонижателями, г этанола/г яблочной кислоты;

K - коэффициент перехода этанола из жидкой фазы в газовую, г этанола в парах/г этанола в жидкости;

K - коэффициент перехода воды в газовую фазу, г воды в парах/г воды в ферментационной среде;

K - коэффициент уменьшения (сжатия) объёма жидкой фазы при «исчезновении» из ферментационной среды единицы массы сахаров (глюкозы);

K - коэффициент выхода молочной кислоты из единицы массы яблочной кислоты при яблочно-молочном брожении, г молочной кислоты/г яблочной кислоты;

d_P,d_b, d_A -плотность этанола, воды и яблочной кислоты соответственно, г/см³;

d, d, d - объёмная масса (плотность) жидкой твёрдой и газовой фаз соответственно, г/см³;

d - объёмная масса (плотность) «осушенного» газа брожения, г/см³;

C, C, - удельные теплоёмкости подаваемых (-) [или отводимых (+)] в (из) C, C, аппарат(а) жидкой, твёрдой и газовой фаз соответственно, C, C кдж/кг*^ОС;

t, t, - температура подаваемых (-) [или отводимых (+)] в (из) аппарат(а)

t, t, жидкой твёрдой и газовой фаз соответственно, ^ОС;

t, t

t_i, t - температура ферментационной среды и жидкой фазы, возвращаемой в аппарат при рециркуляции, ^ОС;

C_X, C_Y, C_Z - выход теплоты при образовании единицы биомассы винных дрожжей, дрожжей-кислотопонижателей и молочнокислых бактерий соответственно кдж/г биомассы 25%С.В.;

C_SX, C_SY -выход теплоты при сбраживании единицы массы сахаров (глюкозы) винными дрожжами и дрожжами-кислотопонижателями соответственно, кдж/г сахаров (глюкозы);

л_P,л_B -удельная теплота испарения этанола и воды, кдж/г;

K_t -коэффициент теплопередачи, вт/м²*^ОС;

Дф_с -средний температурный напор,^ОС;

f_X, f_Y, f_Z - коэффициенты адсорбции фенольных веществ единицей биомассы винных дрожжей, дрожжей-кислотопонижателей и молочнокислых бактерий соответственно, г фенольных веществ/г соответствующей биомасы;

N_i, C_i, S_i, - массовые концентрации азота (N), кислорода (C), сахаров (S), яблочной A_i, W_i, X_i, кислоты(A), фенольных веществ (W), винных дрожжей (X), дрожжей-Y_i, Z_i, G_i, кислотопонижателей (Y), молочнокислых бактерий (Z), диоксида P_i, L_i углерода (P) и молочной кислоты в жидкой фазе ферментационной среды, г/дм³:

N_i = n₁N +n₂N, C_i = n₁C +n₂C, S_i = n₁S +n₂S,

A_i = n₁A +n₂A, W_i = n₁W +n₂W, X_i = n₁X +n₂X,

Y_i = n₁Y +n₂Y, Z_i = n₁Z +n₂Z, G_i = n₁G +n₂G,

P_i = n₁P +n₂P, L_i = n₁L +n₂L;

r - внутренний радиус аппарата, м;

h - высота внутренней части аппарата, м;

К_з -коэффициент заполнения аппарата;

P, B - массовые концентрации этанола и воды в газовой фазе соответственно, г/дм³;

К - коэффициент отражающий изменение объёма среды (контракцию) при повышении в ней концентрации этанола;

ф - время, ч.

Универсальная математическая модель микробиологических процессов переработки винограда может быть представлена в виде системы дифференциальных уравнений основных материальных балансов описываемых процессов. В целях придания модели обобщающего характера рассмотрим материальные балансы процессов в i-м аппарате-ферментёре.

Баланс по азоту

Азот может поступать в аппарат в составе жидкой и твёрдой фаз, а также и с газовой фазой, например, в виде аммиака (NH₃). Основной движущей силой, способствующей задержке азота в бродящей среде является разность его концентраций в твёрдой и жидкой, газовой и жидкой фазах. Движение потоков фаз приводит к перемешиванию среды в ферментёре в зоне, занимаемой твёрдой фазой и зоне, свободной от твёрдой фазы. В связи с этим, определение количества азота, поглощённого (в большинстве случаев его концентрация в поступающих в аппарат потоках выше, чем в жидкой фазе бродящей массы) жидкой фазой существенно зависит от средневзвешенной концентрации азота в жидкой среде аппарата:

(1)

После подстановки соответствующих коэффициентов и преобразований получаем:

[Rn₁N + (R-1) n₂N] (2)

С учётом (1) количество азота, поступившего в жидкую фазу определится как:

[FN - FN - F(R-1) (N- N)] dф + F_T{N - [n₁RN + n₂(R-1) N]} Kdф + (FN - FN) dф (3)

В бродящей массе часть азота используется микроорганизмами для построения биомассы, что может быть описано следующим образом:

n₁(a_XXм + a_YYм + a_ZZм) Vdф + n₂(a_XXм + a_YYм + a_ZZм) Vdф

Обозначим мгновенное изменение количества азота в бродящей жидкой фазе как VdN_i и составим уравнение материального баланса:

VdN_i = [FN - FN - F(R-1) (N- N)] dф + F_T{N - [n₁RN + n₂(R-1) N]} Kdф + (FN - FN) dф - n₁(a_XXм + a_YYм + a_ZZм) Vdф + n₂(a_XXм + a_YYм + a_ZZм) Vdф (4)

Аналогично, с учётом накопленных знаний о характере того или иного процесса составляем материальные балансы по кислороду(С), сахарам (S), яблочной кислоте (A), фенольным веществам (W), диоксиду углерода (G), этанолу (Р), винным дрожжам (Х), дрожжам-кислотопонижателям (Y), молочнокислым бактериям (Z), молочной кислоте (L), а также тепловой и объёмный (по изменению объёма среды) балансы.

Разделив обе части уравнений на Vdф получаем искомую математическую модель микробиологических процессов имеющих место при рождении вина:

dN_i/dф = DN + D_TK{N-[n₁RN + n₂(R-1) N]} + DN -

DN - D(R-1) (N- N) - DN - n₁(a_XXм + a_YYм + a_ZZм) -

- n₂(a_XXм + a_YYм + a_ZZм) (5)

dC_i/dф = DC + D_TK{C-[n₁RC + n₂(R-1) C]} + DC -

DC - D(R-1) (C- C) - DC - n₁(m_XXм + m_YYм + m_ZZм) - n₂(m_XXм + m_YYм + m_ZZм) (6)

dS_i/dф = DS + D_TK{S-[n₁RS + n₂(R-1) S]} - DS -

D(R-1) (S- S) - n₁(b_XXм + b_YYм + b_ZZм + Xq + Yq) -

- n₂(b_XXм + b_YYм + b_ZZм + Xq + Yq) (7)

dA_i/dф = DA + D_TK{A-[n₁RA + n₂(R-1) A]} - DA -D(R-1) (A- A) - n₁(Yq + Zq) - n₂(Yq+ Zq) (8)

dW_i/dф = DW + D_TK{W-[n₁RW + n₂(R-1) W]} - DW - D(R-1) (W- W) - n₁(f_XXм + f_YYм + f_ZZм) - n₂(f_XXм + f_YYм + f_ZZм) (9)

dG_i/dф = DG + D_TK{G-[n₁RG + n₂(R-1) G]} + DG -DG - D(R-1) (G- G) - DG + 2n₁(KXм + KYм + KZм +KXq + KYq + KYq + KZq) + 2n₂(KXм + KYм + KZм + KXq + KYq + KYq+ KZq) (10)

dP_i/dф = DP + D_TK{P-[n₁RP + n₂(R-1) P]} + DP -DP - D(R-1) (P- P) - D(n₁+n₂) PKd + n₁(KXq + KYq + KYq) + n₂(KXq + KYq + KYq) (11)

dX_i/dф = DX + D_TX + DX - [D - D(R-1)]ц_ЧX - D[R+1+ ш_X(2-R)] X - DX + n₁Xм + n₂Xм (12)

dY_i/dф = DY + D_TY + DY - [D - D(R-1)]ц_ХХ - D[R+1+ ш_Y(2-R)]Х - DХ + n₁Хм + n₂Хм (13)

dЖ_i/dф = DЖ + D_TЖ + DЖ - [D - D(R-1)]ц_ЖX - D[R+1+ ш_Ж(2-R)]Ж - DЖ + n₁Жм + n₂Жм (14)

dQ_i/Vdф = Ddc(t-t_i) + Ddc (t-t_i) + n₁c_ZZм + n₂c_ZZм +c_SX(n₁Xq+ n₂Xq) + c_SY(n₁Yq+ n₂Yq) - (n₁+n₂) (ct_i + л_PPK + л_ВВК) Dd - 10^-3К_fK_tДф_с - Ddc_i(t_i-t_i+1) (15)

dV/Vdф = D + D_T - D - D - K[n₁(Xq+Yq)+n₂(Xq+Yq)] + (1-K) [n₁(KXq+KYq)+n₂(KXq + KYq)]/10³d_P - (n₁+n₂) (PK/d_P + ВК/d_B) 10^-3Dd (16)

Для последнего уравнения:

При D=0 и n₂=0 P=P

Модель описывает все основные способы осуществления бродильных процессов: непрерывное брожение, брожение с возвратом (задержкой) биомассы, доливное и периодическое, а также ряд экстракционных и теплообменных процессов протекающих и без участия микроорганизмов.

При необходимости ее можно дополнить уравнениями, отражающими балансы по другим компонентам - фосфору, сере… В случае одновременного (или последовательного) прохождения в среде большего количества микробиологических процессов, например, продуцирования полигалактуроназы дрожжами вида Zigofabospora marsiana, уксуснокислых бактерий, культивирования высших грибов, модель может дополняться уравнениями, отражающими изменения концентрации субстратов и возбудителей процессов.

Полное исследование достаточно сложной системы осуществить пока невозможно, к тому же относительно невелика вероятность одновременного прохождения более 3-х микробиологических процессов как спонтанно, так и направленно.

Универсальность модели позволяет рекомендовать ее для решения множества частных случаев процессов брожения-культивирования микроорганизмов, например, рассчитывать стационарные режимы непрерывных процессов (левые части уравнений равны нулю). Это должно дать ощутимый практический результат, в первую очередь, при анализе трудно поддающихся логической оценке процессов, связанных с потоками нескольких фаз. Эффективность использования модели, очевидно, будет возрастать по мере накопления знаний о поведении коэффициентов уравнений в зависимости от условий протекания процессов и состава культуральных сред.

Коэффициенты модели

Большинство из коэффициентов модели определяется довольно легко на основании известных стехиометрических соотношений (для определения коэффициентов, связанных с образованием биомассы нами были рассмотрены и проанализированы основные стехиометрические соотношения процессов роста и метаболизма дрожжей и бактерий на виноградном сусле), нормативных документов, справочной литературы и экспериментальных данных о том или ином процессе (табл. 1).

Таблица 1. Значения коэффициентов модели применительно к микробиологическим процессам переработки винограда

Литература

виноград микробиологический баланс азот

1. Разуваев В.С., Прида И.А. Оптимизация процесса непрерывного брожения виноградного сусла на мезге при приготовлении крепких виноматериалов. Научно-технический реферативный сборник. Винодельческая промышленность. ЦНИИТЭИПищепром, М, 5, 1982, стр. 16-21.

2. Razouvaev V.S., Valouiko G.G., Kozlovsski Y.V., Prida I.A. Modele mathemattique du processus de fermentation alcoolique du mout de raisin (de la vendange). Office international de la vigne et du vin, 1983, D.G.108/(1160/83).

3. Razouvaev V.S. Intensification du processus de fermentation alcoolique de mout de raisin. Traitement industriel du raisin - reussites pratiques et scientifiques dans production de vins, brandies, vermouths, aperitifs et vins mousseux naturiels (Rapports de la III-иme conference nationale scientifique et technique avec une participation internationale), Vinprom, Pomorie (Bulgarie), 1984, p. 103-109.

4. Разуваев В.С. Биоинженерия виноделия. Брошюра, ЦНИИТЭИПищепром, М, 8, 1985, 25 с.

Размещено на Allbest.ru