Оборудование для ведения биотехнических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Оборудование для ведения биотехнических процессов

Оборудование для солодоращения и получения ферментных препаратов

Солодовня с передвижной грядкой - осуществляется поточный способ солодоращения, при котором проращиваемое зерно периодически перебрасывается ковшом солодоворишителем вдоль ящика от места загрузки к месту выгрузки.

Солодовня с передвижной грядкой (рис.5.1.) представляет собой длинный ящик 6, подситовое пространство 9 которого разделено в поперечном направлении перегородками на несколько отделений, число которых равно или кратно числу суток ращения. На продольных стенках ящика 6 уложены рельсы, по которым вдоль ящика периодически передвигается ковшовыйсолодоворошитель 5 с помощью тележки 4. При рабочем ходе ворошитель 5 перебрасывает проращиваемое зерно, чем достигается не только его перемещение, но и перемешивание вдоль ящика.

Рабочий ход ворошителя имеет направление от места выгрузки готового солода к месту загрузки замоченного ячменя. Замоченное зерно из замочных аппаратов 7 и 8 загружается всегда в одно и тоже место солодорастильного ящика 6. Ворошитель приводится в движение через каждые 12 или 24 ч и каждый раз перебрасывает зерно на один шаг, а на свободнодвижущуюся площадь сита вновь загружается замоченное зерно. Солод проходя к месту выгрузки, при очередном рабочем ходе ворошителя в бункер 3, откуда транспортерами 1 и 2 (шнеком, лентой, элеватором и т.п.) передается в сушилку.

Рис. 5.1. Солодовни с передвижной грядкой

Проращенное зерно проветривается кондиционированным воздухом, который нагнетается вентилятором в центральный канал 10, проходящий вдоль всего солодорастильного ящика 6. Подача кондиционированного воздуха из этого канала в каждое отделение подситового пространства 9 регулируется шибером в зависимости от интенсивности роста, необходимости отвода выделившегося диоксида углерода и поддержания оптимальной температуры.

При параллельной установке нескольких солодорастильных ящиков 6 с передвижными грядками кондиционеры размещают с таким расчетом, чтобы в каждом из них воздух готовился для определенной стадии солодоращения, в первом кондиционере - неувлажненный воздух для подсушивания влажного, только что выгруженного в ящик замоченного зерна и подвяливаниясвежепроросшего солода перед выгрузкой его из солодовни в сушилку; во втором кондиционере - охлажденный и увлажненный воздух для проветривания грядки на третий - четвертый день солодоращения и т.д.

Статические солодовни, работающие по принципу совмещения процессов замачивания и проращивания ячменя, а также сушки солода в одном аппарате (рис.5.2.), состоят из аппарата 4 для замачивания, проращивания зерна и сушки солода со шнековым ворошителем 5, теплогенератора 1 с вентилятором 2и камеры кондиционирования 10 с вентилятором 9.

Рис. 5.2. Принципиальная схема статической солодовни

Отсортированный ячмень после взвешивания подается в моечный аппарат 3,предварительно наполненный до половины объема водойтемпературой 14…150С. Заполненный водой и зерном моечный аппарат 3 оставляют в покое на 20 …30 мин, затем смесь зерна с водой интесивно перемешивают сжатым воздухом и снимают сплав при непрерывном токе воды. После предварительной мойки зерна в аппарат 3 добавляют дезинфикатор, а затем - активатор роста. Через 5...6 ч водно-зерновая смесь гидротранспортером направляется в аппарат 4 для замачивания и проращивания зерна и сушки солода. Продолжительность загрузки аппарата 4 зерном не должна превышать 1...1,5 ч. Расход воды на мойку и гидротранспортирование зерна составляет 2...4 м3. Аппарат 4 периодического действия представляет собой индивидуальную камеру с ситчатым днищем, шнековым солодоворошителем 5 для ворошения и выгрузки солода, а также транспортным оборудованием (механический конвейер 11 и нория 6).

Ситчатое дно аппарата 4, на котором укладывается зерно, выполняется из плетеных решеток, изготовленных из нержавеющей проволоки. Для обеспечения равномерного распределения давления сушильного агента в подситовом пространстве его высота должна составлять не менее 2 м.

Для увлажнения и охлаждения воздуха, поступающего в аппарат 4 в период замачивания и проращивания зерна, под ситом дополнительно устанавливаются форсунки 12 для получения однородной пыли.

Выгруженный на сита аппарата 4 ячмень оставляют в покое на 5 ч, обеспечивая при этом удаление избыточной воды и поглощение ее с поверхности зерна. Дальнейшее замачивание осуществляется воздушно-оросительным способом с периодической или непрерывной продувкой слоя кондиционированным воздухом и орошением распыленной водой. Оптимальный расход кондиционированного воздуха составляет 250...300 м3 /(ч•т), - оптимальный расход воды - 1 м3 на 1 т ячменя.

Орошение зерна водой во время его ворошения шнековым ворошителем 5, на котором установлена оросительная система, необходимо проводить в зависимости от способности ячменя к водопоглощению. Продолжительность замачивания зерна до достижения влажности 45 % составляет в среднем 30...40 ч.

При достижении зерном влажности 43...46 % орошение водой прекращается. В процессе проращивания зерновую массу необходимо ворошить 2...3 раза в сутки, периодически или непрерывно продувая кондиционированным воздухом, с помощью вентилятора 9. Максимальная высота свежепроросшего солода составляет 1,5...2 м.

После окончания проращивания свежепроросший солод в аппарате 4 подвергают сушке и термической обработке сушильным агентом, подготовленным в теплогенераторе 1. Сушку и термическую обработку солода проводят без ворошения в течение 20 ч. Расход сушильного агента на сушку солода составляет 4...4,5 тыс м3/(ч•т) при давлении 1000 Па. В конце сушки расход агента уменьшается до 2 тыс м3/(ч•т) при давлении 400 Па. В процессе сушки солода необходимо не только удалить из него избыточную влагу, но и обеспечить благоприятные условия для протекания физиологических, биохимических и химических процессов, в результате которых продукт приобретает, определенные технологические свойства.

Сухой солод выгружают из аппарата 4 с помощью шнекового ворошителя 5, который подает зерно на механический конвейер 11, расположенный вдоль аппарата 4, а оттуда на норию 6 в бункер 7, росткоотбойную машину 8 и далее на склад.

Расчет производительности и энергозатрат. Тепловой баланс солодорастителной установки имеет вид

,

где: Q1- теплота, вносимая в аппарат с замоченным зерном, кДж/кг; Q2 - теплота, выделяемая при солодоращении, кДж/кг; Q3 - теплота (энтальпия) аппарата при загрузке ячменя, кДж/к; Q4 - теплота, вносимая в аппарат с кондиционированным воздухом, кДж/кг; Q5 - теплота, отводимая с солодом при выгрузке, кДж/кг; Q6 - теплота, выделяемая при солодоращении, кДж/кг;Q7 - теплота (энтальпия) самого аппарата при выгрузке солода, кДж/кг; Q8 - потери теплоты в окружающую среду, кДж/кг.

Производительность ящика солодовни с передвижной грядкой П(кг/ч)

,

где: F - общая площадь сита ящика, м2; с - насыпная плотность воздушно-сухого ячменя, кг/м3; h - высота слоя ячменя в ящике,м; фР - продолжительность выращивания солода (фР = 6…8 суток).

Количество теплоты, которое необходимо удалить из 1 кг солода в статической солодовне путем проветривания его кондиционированным воздухом Q (кДж/кг) равно

В дрожжевых аппаратах (рис. 5.3) производят периодичное культивирование дрожжей в спиртовом производстве. Это геометрически закрытый цилиндроконический аппарат, снабженный двумя змеевиками 1: один - для стерилизации среды паром, второй - для охлаждения среды и поддержания постоянной температуры при размешивании дрожжей. В аппарате размещена мешалка 2, которая может быть с верхним или боковым приводом.

Рис. 5.3. Дрожжевой аппарат

Суть способа периодического культивирования состоит в том, что все операции - подготовка сусла, ввод посевных дрожжей, выращивание, ввод дрожжей, промывка стенок и их стерилизация, охлаждение и повторение наполнения - осуществляют последовательно.

Перемешивание дрожжевой массы может быть осуществлено также сжатым воздухом, подаваемым через барботер.Воздух предварительно должен быть очищен в биологическом фильтре. Расход воздуха составляет 0,4...1 м3 на 1 м2 свободной поверхности жидкости в аппарате в минуту.Дрожжевой аппарат с воздушным перемешиванием изображен на рис. 5.4. При перемешивании мешалкой от электродвигателя принимают расход мощности из расчета 1 кВт на 1 м3 дрожжевой массы.

Дрожжевые аппараты изготовляют из стали толщиной 5...6 мм. Расчет поверхности охлаждения змеевика аналогичен расчету змеевика бродильного аппарата. Площадь поверхности змеевика для воды принимают из расчета 2 м2на 1 м3 полезной емкости аппарата; площадь поверхности парового змеевика - 0,8 м2 на 1 м3 полезной вместимости аппарата.

Вместимость дрожжевого аппарата составляет - 6...8 % объема бродильного аппарата, коэффициент наполнения 0,8.

Дрожжерастительные аппараты предназначены для размножения дрожжей в производстве хлебопекарных дрожжей при сохранении их подъемной силы. Процесс выращивания дрожжей длится 20...36 ч, выход их составляет 70... 85% количества мелассы. В дрожжевом производстве стремятся погасить брожение и активизировать размножение дрожжей. Поэтому в современном дрожжерастительном аппарате должны обеспечиваться значительное разбавление дрожжевой суспензии (до 25 м3 на 1 т мелассы), хорошая аэрация (до 100 м3/ч воздуха на 1 м3 объема аппарата), строго определенная концентрация питательных веществ во время размножения дрожжей и определенная температура.

Дрожжерастительный аппарат ВДА-100 (рис.5.5.) представляет собой сварной цилиндрический резервуар с охлаждающей рубашкой и пластинчатой аэрационной системой для насыщения суспензии кислородом во время размножения дрожжей.

Резервуар 1 установлен на балках 14 и стойках 15 и имеет охлаждающую рубашку 20 из десяти секции (поясов). Аппарат снабжен люками 18 и 21 для обслуживания и ремонта, смотровым окном 2, осветителем 3, гидрозатвором 11, воздухоподводящей трубой 17, коробами 13 аэрационной системы, соплами 16 для промывания коробов, коллектором 19 для подачи воды в секции охлаждающей рубашки и коллектором 12 для вывода воды из охлаждающей рубашки.

Рис. 5.4. Дрожжевой аппарат с воздушным перемешиванием

На крышке аппарата установлена вытяжная труба 7, которая перекрывается заслонкой 10. Заслонка с помощью муфты 4 соединена со штоком 9, несущим поршень, движущийся в цилиндре 8 при помощи гидравлического привода, снабженного четырехходовым краном 5. По шлангу 6 поступает вода для промывания. Подачу воздуха регулируют задвижкой 22 через распределительный коллектор 23. Культуральная среда выводится по трубе 24. За уровнем жидкости в аппарате наблюдают через мерное стекло 25.

Рис. 5.5. Дрожжерастительный аппарат ВДА-100

Пластинчатая аэрационная система ВДА включает распределительный коллектор и короба, закрытые сверху перфорированными пластинами с отверстиями диаметром 0,5 мм. В некоторых аппаратах смонтированы трубчатые системы аэрации конструкции ЦРММ. Они состоят из перфорированных трубок диаметром 51 мм, расположенных на днище аппарата на определенном расстоянии. В поперечном сечении трубки имеют 7 рядов отверстий диаметром 0,8...0,9 мм, расположенных через 15°, с шагом 5 мм. Трубки соединены с воздухораспределительным коллектором.

Расчет энергозатрат.Стерилизация дрожжевой массы осуществляется путем нагревания ее от t1=50 до t2= 85 0С в течении 30 мин. Количество теплоты, затрачиваемой на стерилизацию дрожжевого затора Q (кДж)

где: VЗ - объем дрожжевого затора в аппарате, м3; с - плотность затора, кг/м3; с - теплоемкость затора, кДж/(кг•К).

Тепловой баланс дрожжерастильного аппарата

,

где: Q1- теплота, вносимая в аппарат с питательной средой (растворами солей), кДж/кг; Q2 - теплота, выделяющаяся при брожении, кДж/кг; Q3 - теплота, вносимая в аппарат с охлаждающей водой, кДж/кг; Q4 - теплота, вносимая в аппарат с воздухом, кДж/кг; Q5 - теплота, уходящая с дрожжевой суспензией (бражкой), кДж/кг; Q6 - теплота, отводимая с охлаждающей водой, кДж/кг;Q7 - теплота, отводимая воздухом, кДж/кг; Q8 - потери теплоты в окружающую среду, кДж/кг.

Ферментаторы и биореакторы.Аппараты для проведения ферментативных процессов называются ферментаторами, а для создания наиболее благоприятных условий жизнедеятельности микроорганизмов - биореакторами.

Оборудование, предназначенное для культивирования микроорганизмов - продуктов биологически активных веществ, называют растильными установками.

Вибрационные растильные установки - основаны на динамическом методе выращивания культур грибов в непрерывно движущемся вибрационном слое. Сущность способа заключается в том, что стерильную питающую среду, смешанную с посевной культурой, в процессе выращивания подвергают вибрационным колебаниям с одновременным перемещением в непрерывном потоке. Под действием высокочастотных колебаний в пределах 10... 17,5 Гц питательная среда, находящаяся на транспортируемом органе, приобретает специфические свойства: становится более подвижной, уменьшается коэффициент внутреннего трения и снижается сопротивление перемещению. Колебательные импульсы передаются слою транспортируемой среды и она переходит во взвешенное состояние.

Режим вибрационного транспортирования характеризуется непрерывным обновлением поверхностного слоя: часть пути среда совершает в контакте с поверхностью грузонесущего органа, затем отделяется от нее, а через некоторое время снова падает. В результате среда интенсивно перемешивается. Каждая частица среды находится в непрерывном движении в течение 36 ч, при этом интенсивно аэрируются отдельные мельчайшие частицы среды, что в тысячи раз увеличивает активную поверхность среды по сравнению со статическим кюветным способом выращивания.

Физиологическая теплота, выделяемая культурой в процессе активного роста, отводится водой, в результате чего расход кондиционированного воздуха сокращается с 20 000 до 500 м3 на 1 т культуры.

Применение вибрации позволяет интенсифицировать процессы массо- и теплообмена и микробиологического синтеза, механизировать все технологические операции, повысить активность культуры и организовать высокоэффективный процесс.

Вибрационная установка может быть как горизонтальной, так и вертикальной.

Вибрационная установка винтового типа непрерывного действия производительностью 3,5 т/сут (рис. 5.6.) состоит из рамы 1, бункера для отрубей 2, стерилизатора 5, вибростерилизатора 3 и четырех последовательно соединенных герметизированных вертикальных вибрационных конвейеров лоткового типа 7. Собственно растильной частью установки являются первые три конвейера, составляющие соответственно первую, вторую и третью зоны роста. Четвертый конвейер предназначен для сушки культуры. Каждый виброконвейер снабжен индивидуальным приводом 8 с дебалансовыми вибраторами, трубопроводами 9,10 и 11 для подачи среды соответственно на второй, третий и четвертый конвейеры.

Стерильная засеянная питательная среда из вибростерилизатора 3 поступает в приемный лоток 6 первого виброконвейера и под влиянием виброимпульсов, сообщаемых желобу от вибропривода 4, перемещается снизу вверх. Из верхнего лотка первого виброконвейера среда по трубе поступает в нижний приемный лоток второго виброконвейера. Конструктивно второй виброконвейер отличается от первого только тем, что лотки его снабжены водяной рубашкой для отвода теплоты, выделяемой в период активного роста культуры. Для отвода продуктов жизнедеятельности микроорганизмов во второй виброконвейер подается кондиционированный воздух. Из верхнего лотка второго виброконвейера среда поступает по трубе в нижний приемный лоток третьего виброконвейера, устройство которого аналогично первому.

Рис. 5.6. Вибрационная установка винтового типа непрерывного действия

Скорость движения среды по лоткам виброконвейеров составляет 2...3 мм/с, а диаметр и число витков всех виброконвейеров рассчитаны так, чтобы среда находилась в непрерывном движении в течение всего процесса роста. Из верхнего лотка третьего виброконвейера выращенная культура гриба по трубе поступает в нижний приемный лоток четвертого конвейера на сушку. Устройство этого виброконвейера идентично второму, но в рубашку лотков подают воду температурой 70°С и дополнительно подводится воздух температурой 70...80°С. Выращенная и высушенная культура гриба выгружается, а воздух после бактериальной очистки удаляется.

Рис. 5.7. Ферментатор с механическим перемешиванием барботажного типа

солодоращение мешалка культивирование дрожжерастильный

Стерильный кондиционированный воздух, необходимый для аэрации в количестве 500...1800 м3 на 1 т культуры, подается кондиционером.

Ферментаторы с механическим перемешиванием барботажного типа широко применяются для стерильных процессов выращивания микроорганизмов продуцентов биологически активных веществ. Ферментатор (рис. 5.7.) такого типа представляет собой вертикальный аппарат цилиндрической формы, изготовленный из стали Х18Н10Т или биметалла с эллиптическими крышкой и днищем. Отношение высоты к диаметру равно 2,6 : 1. На крышке аппарата расположен привод перемешивающего устройства, состоящий из электродвигателя 7, редуктора 2, муфты 3, подшипника 4 и сальника 5. Здесь же установлены штуцеры для загрузки питательной среды и посевного материала 18, подачи и вывода воздуха 19, смотровые окна, люки для погружения моющей механической головки; предохранительный клапан.

Для выгрузки культуры в днище аппарата предусмотрен спускной штуцер 16. Внутри корпуса 7 проходит вал 6 с закрепленными на нем перемешивающими устройствами, состоящими из закрытых турбин 8. Барботер 13 соединен с трубой 11 для подвода воздуха и выполнен в виде разборного ромба из перфорированных труб. В верхней его части расположены в шахматном порядке 2000...3000 отверстий. Вал 6 и перемешивающие устройства 8, 12, 14 с муфтами 10 и 15 приводятся во вращение от мотор-редуктора 2.

Ферментатор оборудован рубашкой 17, состоящей из 6...8 ярусов-секций. Каждая секция состоит из 8 навитых опоясывающих каналов, выполненных из уголкового профиля. Площадь поверхности охлаждения рубашки 60 м2, внутренняя поверхность которой состоит из змеевиков 9 диаметром 600 мм и общей высотой 2,4 м

Ферментатор рассчитан для работы под избыточным давлением 0,25 МПа и стерилизации при 130...140 °С, а также для работы под разрежением. В процессе выращивания микроорганизмов давление внутри ферментатора в пределах 50 кПа; расход стерильного воздуха до 1 м3/(м3•мин). Высота столба жидкости в аппарате 5...6 м при высоте аппарата более 8 м.

Для обеспечения стерильности процесса предусмотрены торцевые уплотнения вала перемешивающего устройства с паровой защитой. Торцевые уплотнения рассчитаны для работы при давлении до 0,28 МПа и остаточном давлении не ниже 2,7 кПа, температуре 30.. .250 °С и частоте вращения вала до 500 мин-1. С помощью торцевых уплотнений удается практически полностью предотвратить утечку среды или попадание воздуха в полость аппарата в месте вывода вала.

Расчет производительности и энергозатрат. Коэффициент заполнения ферментатора питательной средой в зависимости от состава среды и вида выращиваемого микроорганизма составляет k=0,5…0,65. Рабочий объем аппарата VP(м3) рассчитывается по формуле

где:Vоб - общий объем аппарата.

Зная время рабочего цикла фР, определяют производительность G (м3/с)

При работе мешалки для перемешивания растущей культуры без учета влияния вспомогательных устройств потребная мощность NM(кВт)

где: KN - критерий мощности, характеризующийся числом Рейнольдса; m - число мешалок.

Расчетная мощность на валу мешалки Np(кВт) равна

где: k1 - коэффициент заполнения аппарата; k2 - коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности на преодоление сопротивления растущей культуры (k2 = 1,1); k - коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности на преодоление сопротивления.

Контрольные вопросы

На какие признаки базируется систематизация процессов пищевой биотехнологии?

Какие процессы называются биохимическими, а какие микробиологическими?

Почему изменяется скорость биохимического процесса на разных стадиях?

Как влияет температура на скорость ферментативных процессов?

Какова кинетика изменения численности и массы микроорганизмов на разных стадиях микробиологического процесса?

Что положено в основу классификации оборудования для солодоращения и культивирования микроорганизмов?

Как устроено оборудование, рассмотренное в данном разделе?

Каков принцип действия оборудования, рассмотренного в настоящем разделе?

Составить тепловой баланс для каждой единицы оборудования представленной в данном разделе?

Как рассчитать теплоту, затраченную на стерилизацию дрожжевого затора?

Чем ферментатор отличается от биореактора?

Список литературы

1. Руднев С.Д. Технологическое оборудование предприятий пищевой промышленности. Часть I, конспект лекций [Текст]/С.Д.Руднев. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 1997. - 116 с.

2. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн.: Учебник для вузов [Текст]/С.Т.Антипов, И.Т.Кретов, А.Н.Остриков и др.; Под ред.акад. РАСХН В.А.Панфилова. - М.: Высшая школа, 2001.

3. Кавецкий Г.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. [Текст]/Г.Д.Кавецкий, А.В.Королев. - М.: Агропромиздат, 1991. - 432 с.

4. Машины и аппараты для переработки молока и мяса [Текст]/ А.А.Курочкин, В.М. Зимняков, Б.А.Чагин и др.; Под общ.ред. А.А.Курочкина. - Пенза: Пензенский технологический институт, 1999. - 454

5. Драгилев А.И. Технологические машины и аппараты пищевых производств [Текст]/А.И.Драгилев, В.С.Дроздов. - М.: Колос, 1999. - 376 с.

6. Кретов И.Т. Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности: Учебник [Текст]/И.Т.Кретов, С.Т.Антипов. - Воронеж: Издательство государственного университета, 1997. - 624 с.

7. Хромеенков В.М. Оборудование хлебопекарного производства [Текст]/В.М.Хроменков.-М.: ИРПО; Изд.центр «Академия», 2000. - 320 с.

8. Ивашов В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленоости. Части I и II/[Текст]/В.И.Ивашов. - М.:, 2001-2006.

9. Сорокопуд А.Ф. Технологические линии и специальное оборудование для производства пищевых продуктов: учебное пособие [Текст]/А.Ф.Сорокопуд, С.Д.Руднев, В.В.Сорокопуд. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2006. - 168 с.

Размещено на Allbest.ru