Підвищення ефективності і удосконалення обладнання для культивування мікроорганізмів

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ І УДОСКОНАЛЕННЯ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ КУЛЬТИВУВАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ

Спеціальність: Мікробіологія та фармацевтичне виробництво

ПАЛАШ АНАТОЛІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

Київ, 2011 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток процесного і апаратурного підґрунтя в технологіях мікробіологічного синтезу спрямований на поглиблення рівня утилізації матеріальних потоків, зменшення витрат первинних енергоносіїв і рекуперації вторинних енергетичних потоків - це шлях до зниження собівартості продукції і підвищення її якості, підвищення ефективності економічної діяльності підприємств та їх конкурентноздатності.

Актуальність теми дисертації зростає в умовах світової економічної кризи, зростаючих обмежень у використанні первинних енергоносіїв, погіршення якісних характеристик вхідних матеріальних потоків сировини, що підлягає переробці, погіршення стану екології.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з Програмою Кабінету Міністрів України "Україна 2010" (проект 4 "Технологічне та технічне оновлення виробництва"), держбюджетною темою Національного університету харчових технологій "Розроблення наукових основ тепломасообмінних та інших процесів харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв з метою створення високоефективних технологій та обладнання, засобів механізації і автоматизації", держбюджетною темою НУХТ "Розроблення новітніх способів інтенсифікації масообмінних процесів харчових технологій".

Мета і завдання досліджень. Метою і завданням дослідження є розвиток наукової бази в інтересах інтенсифікації масообміну в газорідинних культуральних середовищах для вирощування мікроорганізмів.

Об'єктом досліджень є масообмінні процеси на межі поділу фаз, пов'язані з геометрією апаратів і гідродинамічними параметрами середовищ.

Предметом досліджень є взаємозв'язки між вхідними параметрами матеріальних і енергетичних потоків, гідродинамікою, геометрією апаратів та масообміном в створюваних газорідинних потоках.

Методи дослідження включають аналітичне моделювання, аналіз рівнянь і умов масообміну в стаціонарних і перехідних режимах, лабораторні дослідження, феноменологічні міркування. В їх основі лежать класичні положення гідростатики, гідродинаміки, теорії масообміну, розчинності газів, закони збереження енергії, принципи Ле Шательє, суперпозиції тощо.

Наукова новизна одержаних результатів. Набули подальшого розвитку уявлення, що стосуються явищ масообміну в газорідинних середовищах у зв'язку з геометрією апаратів для вирощування мікроорганізмів, створення циркуляційних контурів, перерозподілу енергетичних потоків.

Особистий внесок здобувача полягає у критичному аналізі вихідних матеріалів, що стосуються апаратурного, процесного і технологічного забезпечення біологічного синтезу хлібопекарських дріжджів в аеробних умовах, розробці математичних моделей і практичних рекомендацій стосовно гідродинаміки та масообміну в газорідинних двофазних середовищах, створенні рекомендацій щодо ефективних і доцільних заходів по трансформації вхідних і вихідних енергетичних потоків, створенні лабораторного стенду і реалізації експериментальних досліджень, розробці пропозицій щодо технологій промислового рівня.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції "Инновационные технологи и оборудование для пищевой промышленности" (ВДТА, м. Воронеж, 2009), на міжнародній науково-практичній конференції "Новітні технології, обладнання, безпека та якість харчових продуктів: сьогодення та перспективи" (НУХТ, м. Київ, 2010), наукових семінарах кафедри "Машини і апарати харчових виробництв" НУХТ, демонструвалися на тематичних виставках. Робота виконувалася на кафедрі "Машини і апарати харчових виробництв".

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 6 наукових статей у фахових виданнях, 2 тези за матеріалами науково-практичних конференцій, одержано 6 патентів України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, загальних висновків та списку використаних літературних джерел, який містить 127 найменувань.

Робота виконана на 134 сторінках машинописного тексту, містить 45 рисунків, 14 таблиць та додатки.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету досліджень, показано перспективність і наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі виконано огляд і критичний аналіз літературних джерел, які стосуються технологічного процесного і апаратурного забезпечення аеробного синтезу хлібопекарних дріжджів та інших мікроорганізмів. Висвітлено основні проблеми на рівні необхідності синхронізації динаміки подавання в середовища живильних компонентів, розчинення кисню та приросту біомаси. Визначено основні напрямки досліджень і дано оцінку їх перспективності.

Результати огляду та аналізу літературних джерел, сучасного досвіду промисловості та напрямків досліджень в паралельних галузях дозволили сформулювати наступні висновки:

1. Синтез аеробних мікроорганізмів у своїй ефективності в значній мірі залежить від рівнів концентрації розчиненого кисню в культуральних середовищах. Технологічні режими при цьому будуються на основі балансів вхідного потоку живлення, доставки в середовища кисню і динаміки приросту біомаси. Забезпечення розрахункового вхідного потоку живлення не викликає складностей, як і підтримання номінальної температури середовища. Бажання мати високий рівень приросту біомаси приводить до протиріччя з можливостями аераційних систем. Саме останнє приводить до зниження виходу цільової продукції. Наприклад, у виробництві хлібопекарських дріжджів виходи по мелясі знаходяться у діапазоні від 65 до 90%. Практично перевірено і теоретично узгоджено положення про те, що координата у вказаному діапазоні 65-90 в значній мірі залежить від концентрації розчиненого кисню. Саме це визначає необхідність подальшого пошуку в напрямку удосконалення обладнання для вирощування мікроорганізмів, аераційних систем та інтенсифікації процесів масообміну;

2. Подальший розвиток теоретичного підґрунтя стосується співвідношень геометричних параметрів апаратів, особливостей енерговведення з вхідним газовим потоком та формування міжфазної поверхні. Існує необхідність в оцінці впливів співвідношень геометричних параметрів апаратів на рушійний фактор масообміну та гідродинаміку газорідинних середовищ;

3. Сучасний рівень теорії, що стосується дискретно-імпульсних теплотехнологій і кавітаційних явищ дозволяє розповсюдити її на газорідинні системи і застосувати такі методи для інтенсифікації масообміну в них;

4. З урахуванням особливостей перебігу масообмінних процесів в газорідинних середовищах значної висоти тепломасообмінні процеси, що в них відбуваються, слід віднести до нестаціонарних нелінійних процесів. У зв'язку з цим застосування лінійних кінетичних рівнянь стосовно них можливе лише за певних застережень;

5. В основу нових поглиблених досліджень масообмінних процесів доцільно покласти енергетичні співвідношення. У зв'язку з цим заслуговує на увагу вивчення і одержання теоретичного підґрунтя трансформації енергетичних і матеріальних вхідних і вихідних потоків та їх впливів на процеси масообміну і біосинтезу.

У зв'язку з викладеним визначено наступні задачі дослідження:

1. Здійснити поглиблене вивчення технологій і синтезу мікроорганізмів і встановити закономірності щодо впливів геометричних параметрів на масообмін в середовищах культивування мікроорганізмів;

2. Визначити доцільність і перспективи культивування мікроорганізмів за підвищених тисків в умовах рециркуляції повітряних потоків;

3. Виконати оцінку швидкоплинних змін тисків в газовому середовищі на масообмінні процеси;

4. Розробити математичний апарат взаємодії газових бульбашок з рідинним середовищем в режимі генерування масових сил і нестаціонарних рідинних потоків;

5. Виконати оцінку і розробити прикладний математичний опис трансформації енергетичних потоків газової, рідинної фаз та газорідинних сумішей;

6. Виконати дослідження по оцінці впливів температур на масообмін і режими культивування мікроорганізмів;

7. Виконати експериментальну перевірку окремих теоретичних положень стосовно взаємозв'язків параметрів динамічних газорідинних систем;

8. Розробити пропозиції щодо удосконалення апаратурного оформлення процесів культивування аеробних мікроорганізмів, економного використання енергетичних ресурсів і рекуперації енергетичних потоків, інтенсифікації масообмінних процесів.

У другому розділі наведено методики, що стосуються теоретичних, феноменологічних і експериментальних досліджень, виконано перелік законів, принципів і припущень, покладених в основу аналітичних моделей. Експериментальні дослідження впливу фактора в нерівномірності розподілу газової фази по поперечному перерізу апарата на величину газоутримувальної здатності мали завданням оцінити масштаб таких впливів.

Дослідження виконувалися на лабораторному стенді, у складі якого є реактор 1 з внутрішнім діаметром 300 мм. і виготовленим з органічного скла, з плоскою аераційною системою 2, забезпеченою можливістю довільного блокування частини барботажних отворів. Стенд також устатковано машиною 3, ротаметром 4 РС-7, відповідними трубопроводами 5 та засобами виміру висоти рідинної та газорідинної суміші в реакторі 6.

Рис. 1. - Схема лабораторного стенда до оцінки впливу нерівномірності газового потоку на величину утримувальної здатності газової фази:

Рис. 2. - Графік залежності висоти набухання ДН від фактора нерівномірності в при wпр = 0,087 м/с:

Рис. 3. - Графік залежності утримувальної здатності від фактора нерівномірності в при wпр = 0,087 м/с:

Діаметр барботажних отворів прийнято рівним 2 мм., а крок їх розташування - 15 мм. За прийнятої швидкості газової фази в отворах 10 м/с та їх кількості z = 196 штук, розрахунковий газовий потік склав 0,00615 м. куб./с, а приведена швидкість м/с. Величина в в досліджуваннях змінювалася від 0,6 до 0,3 з кроком 0,05. Результати досліджень представлені в роботі, де наведено експериментальні та розрахункові дані, що стосуються часу спливання газових бульбашок, абсолютної швидкості газової фази та швидкості рідинної фази в циркуляційних контурах. Таким чином, експериментальні дослідження підтверджують помітний вплив фактора нерівномірності газового потоку на гідродинамічні параметри середовища.

Третій розділ присвячено дослідженням інтенсифікації масообмінних процесів з урахуванням особливостей мікробіологічних технологій і синтезу мікроорганізмів. Феноменологічні міркування і накопичений досвід технологічної мікробіології вказують на те, що швидкість нарощування біомаси або синтезу цільових речовин визначаються, по-перше природними властивостями мікроорганізмів і, по-друге, умовами живильного та навколишнього середовищ. Саме останні є факторами впливу, що можуть бути реалізованими.

Ілюстрація, що відображає впливи концентрацій розчиненого кисню на приріст біомаси.

Очевидно, що при цьому має значення і однорідність середовища за його концентраційними і термодинамічними характеристиками, які забезпечуються масовим барботажем повітря, виникненням циркуляційних контурів, розширенням дискретної газової фази, по мірі спливання ансамблів газових бульбашок, явищами, наближеними до кавітації.

У зв'язку з відміченим до числа задач цього розділу віднесено поглиблений аналіз особливостей масообмінних процесів в середовищах мікробіологічного синтезу, взаємозв'язків між геометричними параметрами апаратів з гідродинамікою середовищ, їх енергетичним забезпеченням, рушійними параметрами процесів та технічною організацією їх інтенсивного виконання. Теоретичне підґрунтя особливостей масообміну в газорідинних середовищах вказує на те, що головний опір масопередачі для кисню, як газу з обмеженою розчинністю, створюється в рідинних плівках на поверхні поділу фаз. Впливає на величину цього опору швидкість оновлення поверхні, яка є функцією відносної швидкості. Остання визначається співвідношенням Архімедових сил і сил опору середовища спливанню бульбашок. Наявність швидкості рідинної фази на швидкість масоперенесення безпосередньо не впливає, але при цьому існує неопосередкований вплив, пов'язаний з прискореним винесенням газової фази, зменшенням газоутримувальної здатності та кількості розчиненого кисню за одиницю часу. Важливим параметром масообміну є стала насичення середовища киснем, оскільки вона разом з плинною концентрацією є функцією властивостей рідинної і газової фаз та величини парціального тиску. В умовах барботажу парціальний тиск визначається через значення гідростатичних тисків, а тому співвідношення геометричних параметрів апаратів і відповідно середовищ впливають на величину разом з величиною атмосферного тиску. Таким чином, зростання середньої сталої насичення за вказаного переходу від висоти Н = 4 м до Н = 8 м становить 16,7%. Разом з тим зростання потужності вхідного газового потоку збільшується у 2 рази, оскільки стискання повітря повітродувною машиною здійснюється від величини атмосферного тиску 10 м в.ст. Це означає, що перепад тисків зростає у 2 рази. У роботі наведено дані розрахунків, які стосуються вказаних переходів, в роботі наведена графічна залежність, що відображує енергетичні параметри і сталі насичення за умови, що величина газового потоку у порівнюваних випадках залишається сталою.

Рис. 4. - Ілюстрація щодо впливу масообміну по кисню на приріст біомаси дріжджів:

Однак для ізооб'ємних апаратів інтенсивність аерації при переході від чотириметрових до восьмиметрових підвищиться вдвічі, оскільки вдвічі зменшиться площа поперечного перерізу. Це означає, що приведена швидкість газового потоку зростає вдвічі і приблизно вдвічі збільшується швидкість розчинення кисню, а зростання сталої насичення на 16,7% є помітним позитивним додатком.

Наведені дані засвідчують доцільність аерації середовищ в умовах підвищених тисків в апаратах. Так за умови рідинного середовища висотою 4 м і при додатковому тиску газової фази над рідинним середовищем 0,04 МПа зростання сталої насичення становитиме 33%. Разом з тим обмеження енерговитрат при цьому можна отримати за рахунок рециркуляції повітря у спеціальній схемі живлення.

Частка свіжого повітря повинна складати 20-30%. У випадках технологій подовженого культивування мікроорганізмів в режимах з відборами відпрацьоване повітря з товарного апарату може спрямовуватися у відбірний апарат для аерації культурального середовища.Досягнуто оцінки впливів швидкоплинних змін тисків в апаратах на величини міжфазних поверхонь і масообмін по кисню.

Зменшенню співвідношень тисків (або збільшенню тиску в апараті) відповідає зменшення міжфазної поверхні, але разом з тим зростає стала насичення, що означає подвійний характер впливу.

Разом з тим співвідношення між відносною і абсолютними швидкостями газової фази в рідинній вказують на те, що помітно переважна частка енергетичного потоку витрачається не раціонально на створення циркуляційних рідинних контурів і енергетичну дисипацію. Наявність інерційних впливів вертикального спрямування в сукупності з потенціальним полем сил тяжіння приводить до зміни результуючого вектора-градієнта і можливості впливати на Архімедову силу та через неї на відносну швидкість диспергованої газової фази.

Четвертий розділ присвячений оцінці трансформації газових і газорідинних потоків та їх енергетичного підґрунтя. Завдання цього розділу визначено як вивчення взаємодії вхідного матеріального і енергетичного потоків газової фази, що вводиться в рідинне середовище, і оцінка перспектив підвищення результативності зовнішнього енерговведення.

Рівень стискання повітря в повітродувних машинах відповідає величині гідростатичного тиску на рівні встановлення барботажних елементів. З врахуванням швидкоплинності стискання вважаємо цей процес адіабатним і на показано питомі енергетичні витрати та кінцеві температури відповідно в залежності від рівня стискання.

Кінцеві температури в залежності від початкових і рівень стискання досягають значень, за яких стає можливим термошок мікроорганізмів при введенні газової фази в рідинну. У зв'язку з цим наступним є ізобаричне охолодження повітря.

Зменшення енергії утворення міжфазної поверхні, що визначається за виразом Е = уS, де у - коефіцієнт поверхневого натягу рідинної фази, пов'язано зі зростанням тиску і загальним зменшенням об'єму газу, що приймає участь у процесі.

Враховуючи, що утворення дисперсної газової фази відбувається на відносно обмеженій висоті (від 50 до 100 мм.), в роботі рахувалося, що воно є одночасно ізотермічним та ізобаричним процесом.

ВИСНОВКИ

Виконаний аналіз літературних джерел, досягнень сучасних технологій в галузі синтезу мікроорганізмів, загального стану промисловості, напрямків наукових пошуків по оптимізації процесів.

А також виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють відмітити наступні результати і висновки:

1. Показано, що результативність процесів аеробного синтезу мікроорганізмів у значній мірі визначається концентрацією розчиненого кисню в культуральних середовищах при забезпеченні інших номінальних умов. Відсутність повноцінних балансів у динаміці споживання мікроорганізмами кисню та інших компонентів живлення є причиною значень виходів, які на 20-35% не досягають можливих максимальних;

2. Визначено, що до числа екологічно ощадливих відносно мікроорганізмів і кінцевого цільового продукту відносяться механічні впливи на газорідинні середовища, завданням яких є інтенсифікація масообміну і підвищення концентрації розчиненого кисню. До числа таких механічних впливів відносяться змінні тиски над газорідинними середовищами, обмежувальні заходи щодо швидкості винесення газової фази в утворюваних циркуляційних контурах, наближення термодинамічних параметрів систем до умов виникнення кавітаційних явищ;

3. Показано існування взаємозв'язків між геометричними параметрами ізооб'ємних апаратів та інтенсивністю масообміну в газорідинних культуральних середовищах;

4. Визначено доцільність виконання процесів вирощування мікроорганізмів за підвищених тисків. Для реалізації таких процесів без підвищення енергетичних витрат можливо використати рециркуляцію частини відпрацьованого повітря або застосувати компресор-детандер;

5. Запропоновано гіпотезу щодо можливості створення інерційних потенціальних полів;

6. Встановлено взаємозв'язки, пов'язані з трансформацією енергетичних потоків і показано доцільність обмеження енергетичного потенціалу циркуляційних контурів;

7. Визначено вплив температурних режимів вирощування мікроорганізмів на динаміку розчинення кисню в умовах масового барботажу; аеробний культуральний мікроорганізм

8. Показано кількісні співвідношення щодо динаміки приросту біомаси і вихідних енергетичних потоків;

9. Розроблено рекомендації щодо удосконалення апаратурних схем, які стосуються інтенсифікації масообміну, поглибленого використання вхідних енергетичних потоків, піногасіння, реалізації процесів вирощування дріжджів в умовах підвищених тисків, трансформації вихідного низько-потенціального теплового потоку від біосинтезу у високопотенціальний;

10. За результатами розробок одержано 6 патентів України, основні рекомендації передано для використання у промисловість.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Палаш А.А., Бут С.А. Інтенсифікація тепло- і масообмінних процесів // Харчова промисловість, №7. - 2008. - С. 53-56.

2. Палаш А.А., Бут С.А., Таран В.М. Термодинаміка і масообмін в процесах аерації рідинних середовищ // Харчова промисловість. - 2009. - №8. - С.45-47.

3. Палаш А.А., Шевченко О.Ю., Соколенко А.І. Особливості масо обміну в газорідинних культуральних середовищах // Харчова промисловість. - 2009. - №8. - С. 79-81.

4. Піддубний В.А., Палаш А.А., Бут С.А. Пневмо- і гідротранспорт у виробництві солоду // Хранение и переработка зерна. - 2009. - №3. - С. 39-41.

5. Піддубний В.А., Палаш А.А. Моделювання динаміки газорідинних середовищ // Наукові праці Національного університету харчових технологій. - 2009. - №28. - С. 51-53.

6. Піддубний В.А., Палаш А.А., Шевченко О.Ю. Інтенсифікація масообміну в газорідинних середовищах за рахунок дискретно-імпульсних впливів // Вібрації в техніці і технологіях. - 2009. - №2. - С. 47-49.

Размещено на Allbest.ru