Исследование процесса культивирования хлебопекарных дрожжей при условиях высокой концентрации биомассы в кожухотрубном струйно-инжекционном ферментаторе (КСИФ)

Актуальность работы. Переход российской экономики к рыночным отношениям поставил перед предприятиями-производителями продукции серьезные проблемы, связанные с конкурентной борьбой за рынки сбыта. Резкий подъем цен на отечественные сырьевые и энергетические ресурсы, появление большого количества продукции зарубежного производства еще больше усложнили ситуацию в которой оказались практически все предприятия страны. Снижение себестоимости продукции за счет повышения эффективности производственных процессов, расширение рынка сбыта производимой продукции за счет повышения спроса на нее в других отраслях промышленности — одни из главных путей к стабильности предприятия в современных условиях.

Анализ современных тенденций в области производства высококачественных и экологически-чистых продуктов питания, лекарственных препаратов, парфюмерно-косметических средств, комбикормов показывает, что немаловажную роль в технологических процессах этих отраслей играет микробиологическая промышленность [3,6,8]. Целенаправленное использование микроорганизмов в промышленных технологических процессах находит все новое и новое приложение. Основные направления применения микробиологических процессов различными отраслями промышленности представлено на рис. 1.

В последние годы наряду с традиционным использованием микробиологических процессов в таких отраслях промышленности как дрожжевая, пивная, спиртовая широкое распространение эти процессы получили в фармацевтической, парфюмерно-косметической, комбикормовой отраслях, а также в технологических схемах аэробной очистки сточных вод промышленных предприятий.

В основном промышленное применение микробиологических процессов идет по двум направлениям: либо для получения самой биомассы, либо для получения продуктов микробиологического синтеза.

В первом случае, получение больших объемов биомассы является конечной целью производства. Во-втором, получение целевого продукта предполагает применение больших объемов биомассы посредством которой этот целевой продукт производится. Общим является то, что оба направления предполагают крупнотоннажное производство, что обусловлено экономическими соображениями.

Рис. 1. Использование микробиологических процессов в различных промышленных производствах.

Наиболее масштабно отечественная микробиологическая промышленность представлена дрожжевыми и пивными заводами, а также заводами и цехами по производству лимонной и молочной кислот, поэтому логично будет проанализировать пути повышения эффективности микробиологических производств на примере дрожжевых заводов.

Постоянно растущий и, практически никогда неудовлетворяемьтй спрос на хлебопекарные дрожжи, требовал увеличения объемов производства, которые могли быть осуществлены несколькими путями, а именно:

— строительство новых дрожжевых заводов с использованием ранее апробированных технологических схем;

— реконструкция имеющихся действующих заводов с модернизацией технологических схем и оборудования.

Строительство новых заводов в создавшейся экономической ситуации нецелесообразно, так как имеющиеся в России более 20 крупных дрожжевых заводов загружены неполностью и основная их проблема заключается в том, что они не могут реализовать свою продукцию в полном объеме из-за высокой себестоимости производства. В этой связи выход из создавшейся ситуации видится только в реконструкции действующих заводов, которая может идти по трем направлениям:

— создание новых конструкций ферментаторов, обеспечивающих высокий выход и съем биомассы с единицы рабочего объема;

— разработка соответствующих интенсивных технологических процессов;

— создание высокопродуктивных штаммов дрожжевых культур.

Все эти три направления тесно между собой связаны, особенно два первых, так как любая интенсификация технологии неизбежно ведет к созданию нового оборудования, которое должно обеспечить необходимую степень интенсификации всех происходящих в нем тепло-массообменных процессов. Следует отметить, что работа по созданию нового оборудования и технологий велась постоянно, однако значительных успехов за последние 20−30 лет достигнуто не было. В первьтю очередь это связано с тем, что разработка нового оборудования велась с попыток интенсифицировать его за счет подвода дополнительной энергии и равномерного распределения этой энергии по объему ферментатора. Получая хорошие результаты на лабораторных моделях, усовершенствования перенесенные па крупнотоннажные аппараты аналогичного эффекта не давали. Более того, по энергетическим затратам, даже если удавалось достигнуть необходимой интенсификации тепло-массообменных процессов, такая модернизация становилась просто невыгодной по экономическим соображениям. Это вполне объяснимо, так как объемный коэффициент массопередачи Кьа зависит от подводимой энергии следующим образом, независимо от конструкции ферментатора.

3,37] где т = 0,4 Ч- 1 — зависит от конструкции диспергирующих и перемешивающих устройств, их количества и т. п. Ып — подводимая к культуральной жидкости энергияУр — объем культуральной жидкости.

Таким образом, с той или иной степенью эффективности, увеличение объема ферментатора приводило к увеличению прямых энергозатрат. Конструктивные изменения диспергирующих и перемешивающих устройств позволяли повысить эффективность тепло-массообменных процессов лишь в диапазоне изменения показателя степени т в уравнении (1).

Однако, если взглянуть на суть проблемы с другой стороны, то ее решение вполне очевидно. Мощность дрожжевого завода может быть укрупненно оценена по известной зависимости [6] дг К УрХп.

N = —р—-(2) где N — мощность завода по целевому продукту, кг/год;

К — коэффициент, учитывающий средний выход целевого продукта, а также величину брака и заполнения ферментаторов культу-ралыюйной жидкостью;

Ур — рабочий объем ферментаторов, м3;

X — концентрация целевого продукта в культуральной среде на момент времени т, кг/ м з. п — число рабочих дней в годут — продолжительность культивирования, суткитп — продолжительность подготовительных операций на один цикл культивирования, сутки.

Из уравнения (2) видно, что мощность завода, но целевому продукту может быть увеличина за счет увеличения количества ферментаторов или их объема, т. е. Ур, повышения конечной концентрации биомассы X и интенсификации клеточного роста, что выражается в снижении времени культивирования т. Увеличение Ур ведет к дополнительным капитальным вложениям, увеличению энергозатрат и вспомогательных материалов, связанных с мойкой и обслуживанием аппаратов. Кроме того, возрастает и время тп на подготовительные работы. Вмешательство в клеточные процессы с целью ускорения роста клеток и их количества задача на сегодняшний день не реальная и практически не исследованная.

Таким образом, наиболее перспективным является повышение конечной концентрации целевого продукта X, т. е. проведение культивирования микроорганизмов при высоком содержании биомассы в ферментаторе.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является установление возможности культивирования одноклеточных микроорганизмов, в частности, хлебопекарных дрожжей, при высоких концентрациях биомассы, разработка на этой основе высокопроизводительных ферментаторов с использованием новых, высокоинтенсивных технологических регламентов и создание научно-обоснованной методики их расчета.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— обобщить и проанализировать имеющиеся в научно-технической и патентной литературе данные по культивированию хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы в ферментаторах, установить основные факторы лимитирующие скорость роста микроорганизмов с целью последующего устранения или уменьшения влияния этих факторов на процесс культивирования;

— на основании ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований тепло-массообменных процессов, протекающих в ко-жухотрубиом струйно-инжекциогшом аппарате разработать конструкцию ферментатора, позволяющую реализовать процесс культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы;

— для выбора методики экспериментальных исследований процесса культивирования проверить обоснованность применения известных методов моделирования массообменных процессов к случаю культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы;

— провести экспериментальное изучение процесса культивирования хлебопекарных дрожжей в широком диапазоне начальных и конечных концентраций биомассы на модели разработанной конструкции ферментатора с апробацией различных технологических регламентов культивирования;

— на основе выполненных исследованний разработать методику расчета кожухотрубных струйно-инжекционных ферментаторов (КСИФ) и провести ее проверку на примере создания КСИФ рабочим объемом 0,6 м³ с последующим контрольным культивированием хлебопекарных дрожжей в заданном режиме.

Научная новизна. Научная новизна данной работы заключается в следующем:

— впервые практически доказана возможность культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы;

— впервые на основе материального баланса по кислороду с учетом зависимости потребления кислорода микроорганизмами от концентрации и удельной скорости роста, а также подчинения функции X = /(т) уравнению логистической кривой получено и проверено уравнение для предсказания ¡-Зжа, при культивировании хлебопекарных дрожжей для широкого диапазона значений Хн и ц,;

— успешно проведены культивирования хлебопекарных дрожжей в КСИФ объемом 0,06 и 0,6 м³ в широком диапазоне концентраций биомассы от 20 до 480 кг/м3.

— предложена и экспериментально исследована конструкция КСИФ с повышенной подачей воздуха в ферментатор за счет установки дополнительных сопел над сливными трубами;

— разработана методика составления технологических регламентов ведения процесса культивирования в КСИФ при высоких содержаниях биомассы;

— изучена гидродинамическая обстановка в трубах теплообменника-аэратора КСИФ при установке дополнительных сопел над сливными трубами. Установлено значительное увеличение инжектирующей способности струй ъ (до г—14) при установке дополнительных сопел над сливными трубами. Получены зависимости для инженерных расчетов общей подачи воздуха 0, т в КСИФ данной конструкции;

— проведено комплексное исследование физических свойств модельной среды (водный раствор сульфита натрия — кислород воздуха) с учетом изменения ее состава под влиянием окисления сульфитного иона кислородом воздуха. Получены зависимости для расчета р, р и <т водных растворов Ма230з, ]Уа2504 и ]Уа2503 + 7Уа2504 для широко.

Здесь и далее значения концентраций дается для биомассы с 25% содержанием абсолютно сухой биомассы (АСБ) го диапазона температур и концентраций Ыа230з и Ыа^БО^;

— проведено экспериментальное исследование физических свойств водных суспензий хлебопекарных дрожжей в широком диапазоне концентраций и температур. Получены зависимости для расчета р} ц, а водных суспензий хлебопекарных дрожжей;

— выполнена оценка основных технико-экономических параметров КСИФ.

Практическая ценность. На основании проведенных теоретических и экспериментальных работ разработаны научно-обоснованные методики расчета кожухотрубных струйно-инжекционных ферментаторов (КСИФ) для осуществления процесса культивирования хлебопекарных дрожжей при высоких концентрациях биомассы и составления технологических регламентов культивирования. Даны рекомендации по применению «сульфитного» метода моделирования массообменных процессов происходящих при культивировании хлебопекарных дрожжей для различных концентраций биомассы в ферментаторе.

Реализадия работы в промышленности. Методики расчета КСИФ и составления технологического регламента культивирования переданы ЛО ВНИИПБТ г. Санкт-Петербург для промышленной реализации. Методика расчета кожухотрубных струйно-ипжекционных ферментаторов использована при подготовке методических указаний для выполнения курсового проекта по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств» в разделе «Расчет ферментационного оборудования» для студентов технологических специальностей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Практически доказана принципиальная возможность культивирования хлебопекарных дрожжей до концентраций 500 кг/м3 в куль-туральной жидкости.

2. Впервые на примере культивирования дрожжевых клеток ЗассЬаготусеэ сегеу181ае для предсказания требуемого объемного коэффициента массоотдачи кислорода в субстрат применена модель процесса массопереноса, учитывающая концентрацию биомассы и удельную скорость роста дрожжевых клеток, которая предполагает, что зависимость концентрации от времени культивирования подчиняется логистической кривой. Экспериментально установлено вполне удовлетворительное соответствие предсказанных по уравнению (1.19) значений (Зжа с экспериментальными.

3. Впервые, экспериментальным путем получены значения удельной скорости роста /л дрожжевых клеток ЗассЬаготисея сегеу1в1ае для широкого диапазона концентраций биомассы (от 20 до 480 кг/м3) при проведении процесса культивирования в КСИФе.

4. Установлено, что определяющим фактором влияющим на значения ?1 для данной конструкции ферментатора, является количество подаваемого воздуха в аппарат и время пребывания культуральной жидкости в емкости-накопителе.

5. Экспериментально установлено, что в диапазоне концентраций биомассы от 100-^-150 кг/м3 до 320-^380 кг/м3 удельная скорость роста не зависит от концентрации, а величина постоянного значения определяется количеством подаваемого воздуха в аппарат.

6. Предложена конструкция КСИФа с установкой над сливными трубами дополнительных сопел с целью увеличения подачи воздуха в аппарат. Экспериментально подтверждено увеличение подачи воздуха в аппарат за счет повышения инжектирующей способности струй вытекающих из основного и дополнительного сопел. Получено эмпирическое уравнение для расчета для диапазона диаметров сопел от 5 • 103 до 9 • Ю-3 м. Установлено, что на увеличение инжектирующей способности струи, вытекающей из основного сопла (до ъ = 8) и вытекающей из дополнительного сопла (до ъ = 14) влияет гидродинамическая обстановка в трубах теплообменника-аэратора, а именно, газосодержание в нисходящем и восходящем потоках, давление над свободной поверхностью газожидкостной смеси нисходящего и восходящего потоков, сопротивление потоку воздуха на входе в аппарат, а также гидравлическое сопротивление в сливной трубе теплообменника-аэратора. Для расчета дг с учетом всех этих факторов требуются дополнительные исследования.

7. Установлено, что при моделировании процесса массопереноса кислорода к клеткам микроорганизмов в условиях высокой концентрации биомассы «сульфитный» метод может давать существенные отклонения по значениям (Зжа от реально наблюдаемых в ферментаторе. Показано, что одной из причин является значительное расхождение физических свойств модельной (водный раствор сульфита натрия) жидкости от реальной. На основе экспериментальных исследований получены зависимости для оценки плотности, коэффициента динамической вязкости и поверхностного натяжения для модельной и реальной жидкости в широком диапазоне температур и концентраций. Показано, что «сульфитный» метод может быть использован для оценки (Зжа и, а лишь до концентрации 100-г 150 кг/м3, при моделировании массообменных процессов проходящих при более высоких концентрациях биомассы «сульфитный» метод дает существенные расхождения в 2 -г-10 раз по отношению к реальным значениям /Зжа.

8. На основе проведенных исследований разработана методика расчета кожухотрубного струйно-инжекционного ферментатора с дополнительными соплами, а также методика составления технологического регламента культивирования хлебопекарных дрожжей на мелассных средах при высоких концентрациях биомассы.

9. Методика расчета КСИФа была использована при создании опытно-промышленного образца ферментатора рабочим объемом 0,6 м³. Проведенные испытания данного ферментатора на концентрациях от 20 до 360 кг/м3 по разработанным технологическим регламентам подтвердили использование расчетных зависимостей и обоснованность принятых предположений.

10. По результатам исследований определены основные технико-экономические параметра, характеризующие проведение процесса культивирования при высоких концентрациях биомассы в предложенной конструкции КСИФа и дан сравнительный их анализ с существующими конструкциями ферментаров рабочим объемом не более 100 м³.