Оптимизация организации потоков в биореакторах непрерывного действия

Главной задачей, стоящей перед пищевой промышленностью, в настоящее время является повышение качества и безопасности продуктов питания.

По данным Союза защиты прав потребителей, например, около 60% алкогольных напитков, реализуемых через торговую сеть, являются фальсифицированными и выпускаемые непрофильными предприятиями.

Одной из мер повышения качества безопасности продуктов питания является научно-обоснованная технология производства продукции.

Процесс шампанизации вина представляет собой сочетание гидродинамических, тепло — массообменных, биохимических, биофизических и микробиологических процессов, происходящих при вторичном брожении и последующей выдержки шампанизированного вина при взаимодействии с дрожжами и метаболитами.

Для обеспечения потребности населения в игристых винах, в том числе шампанским, в стране разработан непрерывный метод шампанизации вин, который внедрен на ряде винодельческих предприятий.

В работах [1.5] содержится анализ современного состояния теории и практики шампанизации вин.

В решении проблемы интенсификации биофизикохимических процессов шампанизации вин важное место занимает рациональная организация потока в бродильных аппаратах непрерывного действия, которой посвящен ряд работ в России и за рубежом. [6. 10].

Шампанизация вина представляет собой процесс взаимодействия дрожжевых клеток, изменяющихся во времени по физическим и функциональным свойствам с изменяющимся по составу шампанизируемым вином.

При непрерывной шампанизации в потоке взаимодействие дрожжевых клеток и вина происходит не только во времени, но и в пространстве по длине (высоте) биореактора.

Новая непрерывная технология шампанизации вина позволила повысить качество шампанского и сократить длительность технологического процесса с 3 лет до 410 часов по сравнению с классическим бутылочным. [11,12,13].

Однако за прошедший период времени с запуска линий непрерывной шампанизации вин, возникла необходимость дальнейшего совершенствования конструкции бродильных аппаратов непрерывного действия.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы состоит в дальнейшей оптимизации организации потоков в биореакторах и разработки конструкции биореактора непрерывного действия, работающего в режиме близком к режиму идеального вытеснения.

При разработке принципов конструирования и конкретных конструкций аппаратов для шампанизации вина в потоке необходимо в первую очередь стремиться к созданию наиболее благоприятных условий для направленного взаимодействия фаз с учетом биохимических факторов и технологических особенностей процесса.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является оптимизация потоков и разработка конструкции биореактора непрерывного действия, работающего в режиме близком к режиму идеального вытеснения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: анализ существующих аппаратурно-технологических схем шампанизации винаанализ кинетики взаимодействия дрожжевых клеток с шампанизируемым вином;

— разработка конструкции биореактора непрерывного действия с оптимизацией потоков приближающегося к аппаратам идеального вытеснения;

— анализ гидродинамических и математических моделей биореакторов непрерывного действияаналитические и экспериментальные исследования полей концентраций в биореакторе;

— оценка адекватности разработанной конструкции биореактора сформулированным требованиям;

— разработка математических моделей вторичного брожения с учетом гидродинамической обстановки в биореакторе непрерывного действия;

— разработка принципиальной технологической схемы шампанизации вина на базе разработанного биореактора непрерывного действия.

Научная новизна работы состоит:

— в научном обосновании конструкции биореактора непрерывного действия для процесса шампанизации вин, работающего в режиме идеального вытеснения;

— в разработке математических моделей шампанизации вина в биореакторах непрерывного действия;

— в разработке математических моделей процесса шампанизации вина в биореакторах промежуточного типа;

— в разработке комбинированных гидродинамических псевдосекционных моделей шампанизации вина в биореакторах непрерывного действия;

— в результатах по продольному перемешиванию бродильной смеси в параллельно-секционированном биореакторе.

Практическая значимость работы заключается.

— в формулировании требований, предъявляемых к биореактору непрерывного действия;

— в разработке параллельно-секционированного биореактора непрерывного действия, приближающегося по полю концентраций к аппаратам идеального вытеснения- (патент № 46 256 на полезную модель, «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке»);

— в получении параметров, характеризующих поля концентраций;

— в определении скоростей осаждения дрожжевых клеток;

— в разработке аппаратурно-технологической схемы непрерывной шампанизации вин.

Апробация работы. Диссертационная работа докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств», «Естественно-научных и технических дисциплин» Вяземского филиала МГУТУ, «Системы управления», «Информационные технологии» МГУТУ в 2005 — 2006 г.г.

Основное содержание работы опубликовано в научных статьях, получен патент на полезную модель № 46 256 «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке» приоритет от 24 февраля 2005 г.

Результаты работы используются в учебном процессе МГУТУ при чтении дисциплин «Процессы и аппараты пищевых производств», «Технологические процессы и производства», «Оборудование и технология пищевых производств», «Кинетика биохимических процессов».

Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» Московского государственного университета технологии и управления в соответствии с планом НИР «Интенсификация тепломассообменных процессов в условиях эффективной гидродинамической обстановки» (гос. регистрация № 1 960 010 987).

Блок — схема диссе^ационной работы.

Основные результаты и выводы.

1. На основании критического анализа существующих аппаратурно-технологических схем и конструкций биореакторов для производства шампанского установлено, что в первых двух биореакторах (акратофорах) брожение происходит при высоких скоростях с константой скорости, равной к = 8,5−10−3, ч" 1, а в последующих биореакторах константа скорости снижается до 5,6−10−3, ч" 1. Высокие скорости брожения в двух первых биореакторах, по ходу движения бродильной смеси, можно объяснить повышенной концентрацией дрожжевых клеток вследствие их осаждения в биореакторе. При этом нарушаются условия последовательного взаимодействия шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками различных функциональных возможностей и возрастов. Выровненный по всему объему биореактора состав шампанизируемого вина снижает движущую силу процесса и создает неблагоприятные условия для формирования шампанского высокого качества.

2. Сформулированы требования к биореактору непрерывного действия.

3. Разработан параллельно-секционированный биореактор непрерывного действия для шампанизации вина (Патент на полезную модель № 46 256 «Аппарат для шампанизации вина в непрерывном потоке» приоритет от 24 февраля 2005 г.).

4. В разработанной конструкци: реактора скорость бродильной смеси значительно выше, чем в промышленных биореакторах используемых в винодельческой промышленности, что существенно уменьшает процесс осаждения дрожжевых клеток. Определена средняя скорость осаждения дрожжевых клеток в биореакторе, равная и0=1,4- 10″ 6м/с.

5. Теоретически и экспериментально установлено, что разработанный биореактор по полю распределения концентраций приближается к аппаратам идеального вытеснения, т. е. в нем воспроизводится процесс аналогичный брожению в биореакторах периодического действия. Только в этом случае дрожжевые клетки будут располагаться последовательно с увеличением их возраста и перемещаться по направлению течения системы — вино-дрожжи без обратного перемешивания.

6. Получено уравнение, описывающее продольное перемешивание в параллельно-секционированном биореакторе: = 0,3 Re0'25- — D '.

7. На основании экспериментальных исследований продольного перемешивания установлена адекватность сформулированных требований, предъявляемых к биореактору непрерывного действия, экспериментальным данным.

8. Предложена аппаратурно-технологическая схема непрерывной шампанизации вина, базирующаяся на разработанной конструкции биореактора.

Заключения и выводы.

Коэффициент использования движущей силы (КИДС) позволяет оценить действительную движущую силу в биореакторе и вычислить реальное значение коэффициента массоотдачи, а следовательно, скорость и продолжительность процесса шампанизации в зависимости от гидродинамической обстановки в биореакторе.

На наш взгляд псевдосекционный метод оценки продольного перемешивания и полей концентраций в реакторах по сравнению с другими методами более эффективен и нагляден [23].

Глава 3. Разработка трубчатого параллельносекционированного биореактора непрерывного действия для шампанизации вин.

3.1 Предпосылки к разработке биореактора непрерывного действия.

Во всех рассмотренных в главе 1 аппаратурно-технологических схемах используются пустотелые емкостные аппараты либо заполненные насадкой.

За прошедший период времени с запуска линий непрерывной шампанизации вин возникла необходимость дальнейшего совершенствования конструкции бродильных реакторов непрерывного действия.

В решении проблемы дальнейшей интенсификации процессов шампанизации вин важное место занимает рациональная организация потока двухфазной бродильной смеси в биореакторах непрерывного действия.

Продолжительность шампанизации, которая заключается во взаимодействии вина с дрожжевыми клетками, определяется в основном временем полного исчерпывания ресурсов дрожжей. Дрожжевые клетки в непрерывном процессе шампанизации выполняют основные функции дискретно на различных этапах метаболической деятельности в зависимости от возраста и условий шампанизации.

При создании условий последовательного взаимодействия шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками заданных функциональных возможностей, как утверждает Пищиков Г. Б., большая продолжительность контакта не является необходимостью.

При разработке новой конструкции биореактора были учтены следующие требования:

— при течении системы вино — дрожжи направление движения потока вина и дрожжевых клеток должны совпадать, т. е. продольное перемешивание, образования застойных и байпасных зон во всем объеме реактора должно быть исключено. Наличие таких зон снижает эффективность сбраживания, нарушая условия последовательного взаимодействия шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками различных функциональных возможностей и выравнивая возрастной состав дрожжевых клеток в объеме биореактора;

— проскок свежей жидкости, поступившей в биореактор снижает качество продукта и общий технологический КПД дрожжевых клетоквыровненный по объему реактора состав вина снижает движущую силу процесса и создает неблагоприятные условия для формирования шампанского высшего качества;

— дрожжевые клетки различного возраста, а, следовательно, различных функциональных возможностей находятся в неодинаковых условиях. Молодые дрожжевые клетки, контактируя во всем объеме реактора и в частности на выходе из него с шампанизируемым вином, снижают его качество, адсорбируя биоактивные и ароматические вещества. Блок — схема биореактора непрерывного действия и характер изменения концентраций в реакторе приведена на рисунке 3.1.

3.2 Требования, предъявляемые к биореактору непрерывного действия.

1. Все частицы должны находиться в реакторе одинаковое время, т. е. процесс должен протекать в режиме идеального вытеснения. Тогда время пребывание частиц в рабочем объеме реактора.

VP т=—-, сек К где Vp — рабочий объем реактора, м3- VT — секундный расход, мЗ/с. Старые и молодые дрожжи не должны перемешиваться между собой вдоль длины реактора, а перемещаться в поршневом режиме (идеальное вытеснение), т. е. дрожжевые клетки должны располагаться в реакторе последовательность в функционально-возрастном порядке с увеличением их возраста.

1 .Бродильная смесь должна равномерна поступать по поперечному сечению реактора.

2. Хладагент должен равномерно охлаждать реакционную смесь, обеспечивая адиабатический режим шампанизации;

3. Трубное пространство должно легко очищаться, наподобие ствола ружья.

Указанные требования достигаются при продольном секционировании реактора путем разделения объема биореактора на трубное и межтрубное пространства. В трубном пространстве движется реакционная смесь, а в межтрубном — хладагент. Для равномерного поступления бродильной смеси в трубное пространство смесь перемешивается с помощью мешалки, установленной на входе бродильной смеси в реактор.

Рисунок 3.1- Блок схема биореактора непрерывного действия. 1 — зона смешения, 2 — зона идеального вытеснения.

Рисунок 3.2 — Параллельно-секционированный биореактор непрерывного действия: 1 — крышка- 2 — трубные решетки- 3 — корпус- 4 — трубы- 5 — штуцер для хладагента- 6 — днище- 7 — перемешивающее устройство- 8 -штуцер для входа бродильной смеси- 9 — двигатель- 10 — штуцер для выхода бродильной смеси.

3.3 Биореактор непрерывного действия.

На основе теоретических предпосылок и требований к биореактору разработан трубчатый параллельно-секционированный биореактор непрерывного действия [42, 43,44].

Секционирование достигнуто установкой внутри реактора вертикальных труб — 5, размещенных по сторонам правильных шестиугольников и закрепленных развальцовкой в трубных решетках в верхней и нижней — 4.

Трубы разделяют объем биореактора на трубное и межтрубное пространства. В трубы непрерывного подается бродильная смесь, а в межтрубное — теплоноситель, который омывает трубы и создает возможность проведении процесса в режиме близком к адиабатическом при температурах 6.12°С. В нижней части реактора расположено перемешивающее устройство — 6 для выравнивания концентрации бродильной смеси по поперечному сечению на входе в реактор (П -2).

3.4 Гидродинамический расчет биореактора идеального вытеснения.

Производительность установки, состоящей из 6 бродильных аппаратов.

Размеры модуля: d — 0,1 м, длина L = Зм. В реакторе расположены 6 модулей (рис. 3.2) Объем модуля: VM = 0,785 • d*h = 0,2 355 м³.

Объем 6 модулей: VM6 = 0,2 355 * 6 = 0,1413 мЗ. Производительность одного модуля: примем:

V, =8.575 дал.