CC BY
11УДК 66.011; 663.11; 66.081
DOI 10.29141/2500-1922-2022-7-4-2
EDN XBYTSA
Оптимизация использования биомассы дрожжей в биогенераторе установки шампанизации вина
Г.Б. Пищиков1, В.А. Лазарев1 В.М. Позняковский1,2, А.А. Кожова3
1Уральский государственный экономический университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация 2Кемеровский государственный медицинский университет, г. Кемерово, Российская Федерация 3Уральский государственный аграрный университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация
Реферат
Оптимизация использования биомассы дрожжей в установках непрерывной шампанизации вина в течение многих лет является предметом исследований и разработок, направленных на совершенствование процессов и аппаратов в производстве игристых вин. Пристальное внимание при этом уделяется возможности обогащения шампанизируемого вина биологически активными и поверхностно активными веществами, генерируемыми дрожжами. Целью работы является повышение эффективности процесса обогащения шампанизируемого вина биологически и поверхностно активными веществами. Предмет разработки - новая технология рационального использования биомассы дрожжей, предполагающая внедрение предложенного контура рециркуляции с сепарацией дрожжевых клеток и возвращением их в технологический цикл без остановки потока, модернизацию конструкции аппарата-биогенератора и расчет мембранного модуля микрофильтрации. Предложено разделить аппарат-биогенератор на четыре равные по объему секции поперечными перфорированными перегородками, которые выполнены секторами из листовой стали, уложены на опорные ребра, заполнены насадками: в первой секции -регулярная насадка с гофрированным профилем и шириной каналов 50 мм, во второй секции - нерегулярная насыпная насадка типа колец Лессинга 30 х 30 мм, в третьей и четвертой секциях - аналогичные насадки с размерами элементов 20 х 20 мм и 10 х 10 мм соответственно. В результате усовершенствованной технологии продукт обогащается биологически активными и поверхностно активными веществами, происходит интенсификация процессов массообмена между дрожжами и вино-материалом за счет увеличения числа клеток, высвобождаемых из адгезированных на сорбенте слоев. Испытания модернизированного биогенератора в производственных условиях показали, что выход единичных полностью автолизованных клеток увеличивается в 2,7 раза (с 0,2-10б до с 0,55-10б клеток/см3), что свидетельствует о положительной динамике массоотдачи клетками биологически активных и поверхностно активных веществ, а следовательно, об эффективности процесса, направленного на повышение качества готовой продукции.
Для цитирования: Пищиков Г.Б., Лазарев В.А., Позняковский В.М, Кожова А.А. Оптимизация использования биомассы дрожжей в биогенераторе установки шампанизации вина //Индустрия питания|Food Industry. 2022. Т. 7, № 4. С. 15-24. DOI: 10.29141/25001922-2022-7-4-2. EDN:XBYTSA.
Дата поступления статьи: 28 июня 2022 г.
Ключевые слова:
дрожжи;
биогенератор;
автолиз;
насадка;
шампанизация;
мембраны;
микрофильтрация;
сепарация
Yeast Biomass Use Optimization in the Wine Champanization Unit Biogenerator
Gennady B. Pishchikov1, Vladimir A. Lazarev1 Valery M. Poznyakovskiy12, Alyona A. Kozhova3
1Ural State University of Economics, Ekaterinburg, Russian Federation 2Kemerovo State Medical University, Kemerovo, Russian Federation 3Ural State Agrarian University, Ekaterinburg, Russian Federation
Abstract
The yeast biomass use optimization in continuous wine champagnization plants has been the research and development subject for many years aimed at improving processes and devices in the sparkling wines production. At the same time, a man pays careful attention to the possibility of enriching the champagnized wine with biologically active substances and surfactants generated by yeast. The work aim is to increase the process efficiency of enriching champagnized wine with biologically active substances and surfactants. The development subject is a new technology for the rational yeast biomass use, involving submitted recirculation circuit introduction with the yeast cells separation and their return to the technological cycle without stopping the flow; as well as design modernization of the biogenerator apparatus and membrane microfiltration module calculation. A man suggested to divide the biogenerator apparatus into four sections equal in volume by transverse perforated partitions made of flat steel sectors, laid on knife-edge, filled with attachments: in the first section there is a regular packing with a corrugated profile and a channel width of 50 mm, in the second section - an irregular dump packing of the Lessing rings 30 x 30 mm type, in the third and fourth sections there are similar packings with 20 x 20 mm and 10 x 10 mm feature sizes, respectively. As a result of the improved technology, the product is enriched with biologically active substances and surfactants. An increase in the number of cells released from the layers adhered to the sorbent intensifies the mass exchange processes between yeast and wine material. Tests of the upgraded biogenerator in production conditions demonstrated that the single fully autolysated cells yield increased by 2.7 times (from 0.2-106 to 0.55-106 cells/ cm3), which indicated a positive mass transfer dynamic by biologically active substances and surfactants cells, and consequently, the process effectiveness aimed at the finished products quality improvement.
For citation: Gennady B. Pishchikov, Vladimir A. Lazarev, Valery M. Poznyakovskiy, Alyona A. Kozhova. Yeast Biomass Use Optimization in the Wine Champanization Unit Biogenerator. Индустрия питания|Food Industry 2022. Vol. 7, No. 4. Pp. 15-24. DOI: 10.29141/25001922-2022-7-4-2. EDN: XBYTSA.
Paper submitted: June 28, 2022
Keywords:
yeast;
biogenerator;
autolysis;
packing;
champagnization; membranes; microfiltration; separation
Введение
Важным фактором, определяющим направленность и интенсивность процесса шампанизации вина в непрерывном потоке, а также уровень качества готового продукта, является эффективность использования биомассы дрожжей, поступающей с бродильной смесью в головной аппарат установки и с шампанизируемым вином в биогенератор.
Дрожжи представляют собой специфические биологические объекты, изменяющие функци-
ональные возможности в зависимости от своего возраста и условий среды обитания [1; 2; 3]. Эти свойства дрожжей целенаправленно используются в ходе этапных процессов при шампанизации вина [4; 5].
Так, молодые клетки в возрасте до 20 сут обеспечивают проведение активной фазы вторичного брожения виноматериала, далее их бродильная активность снижается не только в связи с возрастными функциональными изменениями,
но и по причине уменьшения количества питательных веществ в субстрате и одновременного увеличения концентрации ингибирующих продуктов жизнедеятельности, таких как диоксид углерода и метанол, после чего клетки переходят в угнетенное состояние и начинают отмирать. В возрасте от 100 до 365 сут дрожжи подвергаются действию собственных протеолитических ферментов, происходит фаза активного автолиза - самораспада структур с выделением катализаторов, усиливающих биохимические процессы и образование биологически активных веществ, обогащающих шампанизируемое вино [6].
Таким образом, с точки зрения биотехнологии под процессом шампанизации понимают не столько вторичное брожение виноматериала в герметичных сосудах, сколько направленное биохимическое взаимодействие шампанизируемого вина с дрожжевыми клетками после окончания брожения [7].
Определенной эффективности применения технологии обогащения шампанизируемых ви-номатериалов аминокислотами, ферментами, витаминами и другими активными компонентами с целью повышения органолептических качеств и биологической ценности игристых вин удалось достигнуть благодаря использованию комбинации флуктуирующих и иммобилизованных дрожжевых клеток - продуцентов биологически активных и ароматических веществ и соединений [8-10].
Процесс обогащения шампанизируемого вино-материала биологически активными веществами, продуцируемыми дрожжевыми клетками, особенно в фазе их автолиза, принято называть биогенерацией, а аппараты, в которых осуществляется этот процесс, - биогенераторами.
Биогенераторы представляют собой вертикальные цилиндрические колонны, обычно с полусферическими днищами, заполненные нерегулярными насадками одного типоразмера, изготовленными из инертных к вину материалов: керамики, полиэтилена высокого давления, дерева, металла. Насадки играют роль твердой развитой сорбирующей поверхности для длительного удержания дрожжей в поточном аппарате до достижения клетками возраста трех лет и более. При этом должна сохраняться возможность медленного дискретного перемещения биомассы по направлению непрерывного движения вина [11]. Возможность обеспечения таких условий зависит от конструкции аппаратов установки, вида и параметров применяемых насадок - стабилизаторов потока и сорбентов клеток, временно удерживающих их заданной зоне, а также от уровня целевых элементов биотехнологии шампанизации вина.
Повышение эффективности процесса обогащения шампанизируемого вина биологически активными веществами достигается путем создания условий максимально возможного использования потенциала биомассы дрожжей, поступивших в биогенератор со сброженным ви-номатериалом. В идеале должна функционально «отработать» каждая клетка.
Однако при промышленной реализации процесса шампанизации вина поточным методом обнаружился ряд проблем, наличие которых снижает потенциальное количество биологически активных продуцентов дрожжей, обогащающих субстрат [12]. Наиболее значительные из них три:
• неравномерность распределения дрожжевых клеток по сечению и высоте аппаратов, заполненных сорбентом;
• неблагоприятные условия массообмена между шампанизируемым вином и дрожжевыми клетками, находящимися в слоях, прилегающих к поверхности элементов сорбирующей насадки;
• потери дрожжей, выносимых с шампанизируемым вином из биогенераторов.
Очевидно, что при этом существенно снижается эффективность процесса обогащения шампанизируемого вина ценными биологически активными веществами, а также соединениями, образующимися в связи с превращением аминокислот и формирующими типичные свойства высококачественного продукта.
Отметим, что подобная проблема характерна и для технологии классической бутылочной шампанизации. Известно, что для увеличения возможности контакта максимального числа дрожжевых клеток с кюве в технологии классической бутылочной шампанизации периодически выполняется операция перекладки бутылок с одновременным взбалтыванием осадка [13].
Целью работы является повышение эффективности процесса обогащения шампанизируемого вина биологически активными и поверхностно активными веществами.
Объекты и методы исследования
Для содействия решению изложенных выше проблем нами предложено модернизировать конструкцию биогенераторов, изменить структуру и размеры наполняющей насадки, а также разработать принципиально новую систему рециркуляции биомассы дрожжей в установке шампанизации вина в непрерывном потоке (см. рисунок).
Предложено аппарат-биогенератор 1 разделить на четыре равные по объему секции поперечными перфорированными перегородками 3. Перегородки выполнены секторами из листовой стали, уложенными на опорные ребра 12. Секции
Аппаратурно-технологическая схема линии шампанизации вина 1 - биогенератор; 2 - барботер жидкостный; 3 - решетка (перфорированная перегородка); 4 - насадка; 5 - теплообменник; 6 - фильтр-сепаратор (мембранный модуль); 7 - аппарат-кристаллизатор; 8 - сборники концентрата; 9 - насос перистальтический; 10 - насос циркуляционный; 11 - запорная арматура; 12 - опорные ребра решетки; 13 - насос-дозатор дрожжевой разводки; 14 - насос-дозатор резервуарного ликера; 15 - насос-дозатор купажа виноматериалов; 16 - резервуар-смеситель бродильной смеси; 17 - насос-дозатор бродильной смеси; 18 - бродильный аппарат; 19 - фильтр; 20 - сборник готового продукта Wine Champagnization Line Hardware and Technological Scheme 1 - Biogenerator; 2 - Hydronic Bubble Flask; 3 - Separator (Perforated Baffle Plate); 4 - Packing; 5 - Heat Exchanger; 6 - Filter Separator (Membrane Module); 7 - Crystallizer Apparatus; 8 - Concentrate Collectors; 9 - Peristaltic Pump;
10 - Circulation Pump; 11 - On-Off Valves; 12 -Supportive Knife-Edge; 13 - Yeast Distribution Dispenser Pump; 14 - Reservoir Liquor Dispenser Pump; 15 -Wine Blend Dispenser Pump; 16 - Fermentation Mixture Blending Tank; 17 - Fermentation Mixture Dispenser Pump; 18 - Fermentation Apparatus; 19 - Filter; 20 - Collecting Finished Product Tank
аппарата предлагается заполнить насадками из элементов разного размера и конфигурации, что принципиально важно. Причем в первой секции (I) устанавливается регулярная насадка с гофрированным профилем с шириной каналов 50 мм, вторая секция (II) заполняется нерегулярной насыпной насадкой типа колец Лессинга 30 х 30 мм, третья (III) и четвертая (IV) секции заполняются аналогичными насадками с размерами элементов соответственно 20 х 20 мм и 10 х 10 мм.
Такое распределение насадок, принятое исходя из модельных исследований и производственных испытаний, решает задачу значительно более равномерного распределения адсорбированных дрожжевых клеток по высоте колонны и позволяет дрожжам перемещаться в соответствии с их временем пребывания в биогенераторе.
Однако при этом проблема ротации иммобилизованных клеток, адсорбированных на насадках и аутогезированных в прилегающих к ним слоях, остается нерешенной. В связи с этим нами предложено периодически проводить «мягкую» турбулизацию суспензии, не вызывающую дешампанизации вина в зонах насадки, путем рециркуляции поочередно в определенных технологией секциях аппарата. Конструктивно для этого разработаны устройства 2 и соответствующая схема, включающая перистальтический шланговый насос 10 и контур циркуляции, представляющий собой систему трубопроводов с запорной арматурой 11. Данная схема предусматривает изменение направления циркуляции суспензии путем переключения запорными вентилями системы с всасывания на нагнетание и обратно, что позволит увеличить
возможность отрыва дрожжей от элементов насадки и осуществить искомую ротацию иммобилизованных клеток. Заметим, что предложенные новые элементы в технологии шампанизации вина в непрерывном потоке фактически моделируют операцию перекладки бутылок с одновременным взбалтыванием, применяемую в классической технологии.
В рамках решаемой задачи оптимизации использования биомассы дрожжей, поступившей в биогенератор из аппарата вторичного брожения [14], необходимо создать условия для минимизации выхода дрожжей с шампанизированным вином. Проблема потери выносимых с потоком ценных для биопроцесса дрожжевых клеток - продуцентов биологически активных веществ имела место всегда. Однако при разработанной технологии ротации концентрация клеток в суспензии значительно повысится и, следовательно, потери в связи с выносом из биогенератора увеличатся. Для полного решения этой проблемы нами предложена система рециркуляции с возвратом вышедших дрожжей в любую определенную биотехнологом секцию аппарата.
Система предполагает сепарацию клеток от шампанизированного вина на спроектированной для этого установке 6. После сепарации концентрат дрожжей поступает в сборники 8, откуда перекачивается преимущественно во вторую секцию биогенератора. Отфильтрованное шампанизированное вино направляется в аппарат-кристаллизатор 7 и далее в сборник готового продукта. Учитывая, что игристое вино насыщено диоксидом углерода, который необходимо максимально сохранить, а физическая связь вина с растворенным газом усиливается при более низких температурах, предусмотрено охлаждение суспензии перед сепарацией в теплообменниках 5 до минус 4 °С. Такая температура необходима и для процесса кристаллизации солей винной кислоты, предусмотренного типовой технологией и реализуемого в аппарате 7.
Особо важную задачу решали при выборе и расчете оборудования для сепарации дрожжей. Необходимо было применить способ, позволяющий вернуть дрожжевой концентрат в биогенератор. Конкурентно рассматривались центрифугирование и мембранные методы. Исходя из технологической целесообразности для отделения дрожжей от шампанизированного вина и их концентрирования была выбрана ба-ромембранная микрофильтрация [15].
В качестве мембран для концентрирования дрожжевой суспензии предлагается применять керамические микрофильтрационные однока-нальные элементы КМФЭ производства ООО
«НПО «Керамикфильтр» (г. Москва) на основе диоксида титана анатазной модификации с нанесенным селективным слоем на основе карбида кремния.
Согласно исходным данным дрожжевая суспензия подается на микрофильтрационное концентрирование без предварительной подготовки, при 1= -4 °С, под давлением 0,6 МПа. Исходная концентрация дрожжевых клеток Сдк в суспензии составляет 100^106 ед/см3, плотность шампанизируемого вина рв - 916,2 кг/мз, плотность дрожжевых клеток рдк - 1 023,2 кг/мз, средняя динамическая вязкость вина при заданной температуре - 36,28-10-4 Па-с. Производительность по исходной дрожжевой суспензии Ссусп, подающейся в микрофильтрационный модуль, должна составлять не менее 150 л/ч.
Результаты исследования и их обсуждение
С целью расчета баромембранного модуля необходимо определить количество пермеата и концентрата, которые получаются после концентрирования дрожжевой суспензии на микрофильтрационной установке. За основу расчета взята апробированная методика, предложенная Ю. И. Дытнерским [16].
Составим уравнение материального баланса для микрофильтрационной установки:
(1)
I = I мф + I м
*-исх конц ^ перм;
мф
где L и
производительность установки по ис-
мф
ходным виноматериалам, кг/с;1 водительность установки по концентрату, кг/c;
произ-
I
мф
производительность установки по перме-
ату, кг/с.
Согласно исходным данным к расчету принимается L исх = 150 л/ч = 0,0426 кг/с (с учетом плотности дрожжевой суспензии).
х 1и
мф
х L 1
конц конц
мф
+ X
мф
х I м ,
перм перм
мф
(2)
где хисх - концентрация сухих веществ в исходном виноматериале, %; хм^щ и хмфрм - концентрация сухих веществ соответственно в концентрате и пермеате после прохождения через модуль микрофильтрации, %.
Предварительный расчет материального баланса вели по концентрации дрожжевых клеток в исходной суспензии и в конечном концентрате при исходной массе дрожжей в дрожжевой суспензии около 5 кг/мз. С учетом содержания сахаров и других высокомолекулярных компонентов, входящих в состав дрожжевой суспензии, принимали концентрацию сухих веществ х исх равной 2,5 % (по ГОСТ 14251-75 «Вина, винома-териалы, соки плодово-ягодные спиртованные. Метод определения приведенного экстракта»). При рекомендуемой степени концентрирова-
перм
ния по высокомолекулярным компонентам для процесса микрофильтрации 10х концентрация сухих веществ в концентрате увеличится пропорционально: х мофнц = 25. В пермеат микрофильтрации при этом будет уходить остаточный сахар, а также все низкомолекулярные соединения, в том числе минеральные вещества. Тогда концентрация сухих веществ в пермеате составит:
мф
: 0,25 %.
Подставили значения в уравнения (1) и (2):
L мф + . мф _ 0 0426-
кони ^ L- перм
мф
мф - конц
мф
25 L мофнц + 0,25 L мФрм = 0,1065.
Составив систему из уравнений (1) и (2) и решив ее, получили необходимые значения:
L
мф
L
мф
■■ 0,0036 кг/с = 12,96 кг/ч; = 0,039 кг/с = 140,4 кг/ч.
При выборе рабочего давления процесса микрофильтрации следует иметь в виду, что при высоком количестве высокомолекулярных соединений в концентрате на внутренней поверхности мембраны непременно образуется слой концентрационной поляризации (так называемый фоулинг-слой), поэтому рекомендуемые значения должны лежать в диапазоне не ниже 0,35 МПа. В нашем случае дрожжевая суспензия поступает в микрофильтрационный модуль под давлением 0,6 МПа, что является избыточным для концентрирования и может привести к излишне быстрому падению проницаемости мембраны в процессе работы. Хотя исследования показывают, что высокие значения начального давления дают высокую проницаемость мембран на начальных этапах концентрирования. При давлении ниже 0,1 МПа проницаемость мембраны остается незначительной [17]. Оптимально принимаем перепад давления для осуществления процесса микрофильтрационного концентрирования дрожжевой суспензии в диапазоне 0,25-0,30 МПа.
Ввиду того, что на выходе из биогенератора рабочее давление составляет 0,6 МПа, а в над-мембранном контуре - порядка 0,30-0,35 МПа, рабочий перепад давлений будет лежать в рекомендуемом диапазоне 0,30-0,35 МПа.
Выбранные нами керамические одноканаль-ные мембраны КМФЭ представляют собой трубки длиной 800 мм с наружным диаметром 10 мм и внутренним диаметром канала 6 мм. Полезная площадь поверхности разделения такой мембраны составляет 0,015 м2, диаметр пор - не более 1,5 мкм.
Определяли истинную селективность мембраны по высокомолекулярным соединениям
(дрожжевым клеткам) уср, используя данные о средних размерах пор в мембранах и о размерах молекул высокомолекулярных соединений в виноматериалах: с1пор = 1,5 мкм; ^мол = 5 мкм.
Далее определяли соотношение ^мол /ёпор, которое должно соответствовать условию ^мол /^пор > 0,5. Подставляя значения, получили:
^мол _ 5,0 _ ^ 22 ¿пор 1.5 ' '
По графику зависимости истинной селективности мембран по высокомолекулярным соединениям от соотношения диаметров пор и молекул [19] определяется истинная селективность мембраны по дрожжевым клеткам уср = 0,999 (стремится к 1,0). Таким образом, можно полагать, что с учетом погрешности все дрожжи улавливаются и попадают в концентрат.
Расчет рабочей поверхности мембран ведется по их удельной проницаемости. В качестве эталонной принимается удельная проницаемость мембраны по чистой воде. Для одноканальной мембраны КМФЭ удельная проницаемость А по чистой воде будет равна 1,7-10-2 кг/м2-с. С учетом перепада рабочего давления в мембранном контуре Ар = 0,3 МПа эффективная удельная проницаемость С0, кг/м2-с, рассчитанная по формуле
С0 = А х Ар (3)
будет равна С0 = 1,7-10-2 х 0,3 = 0,51-10-2 кг/м2-с.
С учетом известных положений о том, что осмотические давления высокомолекулярных компонентов пренебрежимо малы, а остаточные сахара и минеральные соединения задерживаться мембраной не будут, осмотическое давление пермеата принимали равным осмотическому давлению исходной дрожжевой суспензии, что не сказалось на полученной удельной проницаемости мембраны.
Течение концентрируемого раствора через поры мембраны подчиняется закону Пуазейля, следовательно, проницаемость обратно пропорциональна динамической вязкости. Согласно литературным данным, коэффициент динамической вязкости дрожжевой суспензии при температуре минус 4 °С равен ^сусп = 1,5-10-3 Па-с. Вязкость чистой воды при той же температуре равна 0,894-10-3 Па-с.
Тогда уточненная проницаемость мембраны КМФЭ по дрожжевой суспензии, рассчитанная по формуле
С = Сп х
Мсусп'
составит
С=0,5М0-2* 0,3-10-2Kr/M2-c.
перм
перм
Вязкость раствора в процессе концентрирования меняется незначительно, следовательно, принимаем данную величину проницаемости постоянной для всего процесса концентрирования.
Определили расход пермеата Lп, кг/с, считая, что наблюдаемая селективность мембраны равна истинной селективности уср= ф = 0,999 и расход по исходному раствору ^^х равен 0,0426 кг/с:
1п = 1исх (1 - К"1/Ф),
(5)
где К- степень концентрирования.
С учетом проведенного литературного обзора и рекомендаций исследователей принимали степень концентрирования по высокомолекулярным компонентам К = 10 (соотношение концентрата и пермеата 1:10) [19].
Lп = 0,0426 (1 -10-1/°'999) = 0,0383 кг/с.
Тогда требуемая рабочая поверхность мембран F, м2, рассчитанная по формуле
F = —
(6)
будет равна
F =
0,0383 0,3-10"2
= 12,76 м2.
Определили необходимое количество однока-нальных керамических микрофильтрационных элементов КМФЭ ло6щ, шт.:
л - L
"общ _ г ,
» 3
(7)
где Fэ - площадь рабочей поверхности одного элемента КМФЭ, принятая равной 0,015 м2.
12,76 огп
=т~5 =850 шт-
Для повышения ремонтопригодности и удобства эксплуатации принимали размещение мембранных элементов в двух цилиндрических аппаратах, в каждом по 425 элементов, тогда в расчетах ло6щ = 425 шт.
При компоновке аппарата принимали размещение мембранных элементов в трубной решетке по сторонам правильного шестиугольника. В случае применения герметичных закреплений мембранных элементов на уплотняющие кольца и герметик минимальный шаг расположения ^^п, мм, принимается
Lmin = 1,25
(8)
где Сн - наружный диаметр мембранного элемента, мм.
С целью более эффективного отвода пермеата и повышения возможностей промывки внешней
поверхности мембран увеличили шаг до двух. Тогда согласно конструктивным данным при Сн = 10 мм
Lmin = 2 х 10 = 20 мм.
Общее потребное количество мембранных элементов в аппарате ло6щ, шт., при размещении по схеме правильного шестиугольника находится по формуле
Лобщ = 0,75 (Пд2 - 1) + 1,
(9)
где пд - число мембранных элементов, расположенных по диагонали наибольшего (внешнего) шестиугольника, шт.
Зная общее потребное количество мембранных элементов в аппарате побщ = 425 шт., выра-
(10)
0,75
+ 1 = 24 шт.
Зная количество мембранных элементов по диагонали наибольшего шестиугольника, можно вычислить диаметр мембранного аппарат Ом, мм, из следующего выражения:
_ DM+dH _л д ~ I '
Lm п
(11)
где Ом - искомый диаметр мембранного модуля, мм, рассчитываемый по формуле
Ом = (Пд - 1) х Lmn - Сп. (12)
Тогда
Ом = (24 -1) х 20 - 10 = 450 мм.
Окончательные размеры мембранного аппарата:
• внутренний диаметр корпуса Ом = 450 мм;
• высота аппарата I = 800 мм согласно длине одного мембранного элемента;
• количество мембранных элементов в аппарате Побщ = 425 шт.
Получаемый концентрат дрожжевой суспензии предполагается возвращать в биогенератор для повторного использования.
Заключение
Для решения представленной проблемы с целью повышения эффективности процесса биогенерации нами предложено модернизировать конструкцию биогенераторов, изменить структуру и размеры наполняющей насадки, а также разработать принципиально новую схему рециркуляции биомассы дрожжей в установке шампанизации вина в непрерывном потоке.
Разработаны технология и мембранный модуль сепарации клеток на основе керамических
зим лд, шт.:
мембран отечественного производства КМФЭ, позволяющие оптимизировать использование биомассы дрожжей в процессе обогащения шампанизируемого вина биологически и поверхностно активными веществами. При использовании данной технологии в промышленном производстве большинство клеток, введенных в установ-
ку непрерывной шампанизации вина, будет ре-ализовывать свой функциональный потенциал. Применение такой технологии и оборудования позволит существенно повысить эффективность процесса биогенерации и соответственно повысить качество готовой продукции - игристых вин.
Библиографический список
1. Христофорова И.С. Активность дрожжей в состоянии стресса // Старт в науке. 2019. № 5-1. URL: https://science-start.ru/ru/article/ view?id=1705.
2. Банницына Т.Е., Канарский А.В., Щербаков А.В. и др. Дрожжи в современной биотехнологии // Вестник Международной академии холода. 2016. № 1. С. 24-29. DOI: https://doi. org/10.21047/1606-4313-2016-16-1-24-29. EDN: TQXLKY.
3. Варфоломеев С.Д., Луковенков А.В., Семенова Н.А. Устойчивость метаболизма // Физическая химия биопроцессов: коллективная монография / под ред. чл.-корр. РАН С.Д. Варфоломеева. М.: КРАСАНД, 2014. С. 13-67. ISBN 978-5-396-00585-3.
4. Саришвили Н.Г., Рейтблат Б.Б. Микробиологические основы технологии шампанизации вина. М.: Пищевая промышленность, 2000. 364 с. ISBN 5-89703-025-1.
5. Berbegal, C.; Spano, G.; Tristezza, M., et al. Microbial Resources and Innovation in the Wine Production Sector. South African Journal of Enology and Viticulture. 2017. Vol. 38. Iss. 2. DOI: https://doi. org/10.21548/38-2-1333.
6. Авакянц С.П. Биологические основы технологии шампанского: монография. М.: Пищевая промышленность, 1980. 351 с.
7. Просеков А.Ю., Неверова О.А., Пищиков Г.Б. и др. Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения. 2-е изд., перераб. и доп. Кемерово: Кемеровский государственный университет, 2019. 262 с. ISBN 978-5-8353-2544-3. EDN: TBBGUD.
8. Moreno-Garcia, J.; Mauricio, J.C.; Moreno, J., et al. Detection of Protein Markers for Autophagy, Autolysis and Apoptosis Processes in a Saccharomyces cerevisiae Wine Flor Yeast Strain when Forming Biofilm. BioRxiv - the Preprint Server for Biology. 2018. DOI: https://doi.org/10.1101/324772.
9. Оганесянц Л.А., Рейтблат Б.Б., Дубинчук Л.В. и др. Исследование процесса вторичного брожения с использованием флуктуирующих и иммобилизованных дрожжей // Виноделие и виноградарство. 2012. № 5. С. 16-18. EDN: PDHWQB.
10. Nedovic, V.; Gibson, B.; Mantzouridou, T.F., et al. Aroma Formation by Immobilized Yeast Cells in Fermentation Processes. Yeast. 2015. Vol. 32. Iss. 1. Pp. 173-216. DOI: https://doi.org/10.1002/yea.3042.
11. Пищиков Г.Б., Попова Д.Г., Минухин Л.А. К вопросу иммобилизации микроорганизмов на контактных поверхностях в продольно-секционированных биореакторах // АПК России. 2020. Т. 27, № 3. С. 557-562. EDN: XNNOER.
12. Пищиков Г.Б. Научное обоснование и разработка технологии, процессов и аппаратов шампанизации вина: диссертация ... д-ра техн. наук: 05.18.07, 05.18.12 / Всерос. науч.-исслед. ин-т пивовар., безалкогол. и винодел. пром-сти РАСХН. М., 2002. 315 с.
Bibliography
1. Hristoforova, I.S. Aktivnost' Drozhzhej v Sostoyanii Stressa [Yeast Activity under Stress]. Start v Nauke. 2019. No. 5-1. URL: https://sci-ence-start.ru/ru/article/view?id=1705. (in Russ.)
2. Bannicyna, T.E.; Kanarskij, A.V.; Shcherbakov, A.V. i dr. Drozhzhi v Sovremennoj Biotekhnologii [Yeast in Modern Biotechnology]. Vest-nik Mezhdunarodnoj Akademii Holoda. 2016. No. 1. Pp. 24-29. DOI: https://doi.org/10.21047/1606-4313-2016-16-1-24-29. EDN: TQXLKY. (in Russ.)
3. Varfolomeev, S.D.; Lukovenkov, A.V.;Semenova, N.A. Ustojchiv-ost' Metabolizma [Metabolism Stability]. Fizicheskaya Himiya Bi-oprocessov: Kollektivnaya Monografiya. pod Red. CHl.-Korr. RAN S.D. Varfolomeeva. M.: KRASAND. 2014. Pp. 13-67. ISBN 978-5-39600585-3. (in Russ.)
4. Sarishvili, N.G.; Rejtblat, B.B. Mikrobiologicheskie Osnovy Tekh-nologii Shampanizacii Vina [Microbiological Foundations of Wine Champagnization Technology]. M.: Pishchevaya Promyshlennost'. 2000. 364 p. ISBN 5-89703-025-1. (in Russ.)
5. Berbegal, C.; Spano, G.; Tristezza, M., et al. Microbial Resources and Innovation in the Wine Production Sector. South African Journal of Enology and Viticulture. 2017. Vol. 38. Iss. 2. DOI: https://doi. org/10.21548/38-2-1333.
6. Avakyanc, S.P. Biologicheskie Osnovy Tekhnologii Shampanskogo [Biological Champagne Technology Bases]: Monografiya. M.: Pishchevaya Promyshlennost'. 1980. 351 p. (in Russ.)
7. Prosekov, A.Yu.; Neverova, O.A.; Pishchikov, G.B. i dr. Pishchevaya Biotekhnologiya Produktov iz Syr'ya Rastitel'nogo Proiskhozhdeni-ya [Food Biotechnology of Products from Plant Origin Raw Materials]. 2-e Izd., Pererab. i Dop. Kemerovo: Kemerovskij Gosudarstven-nyj Universitet. 2019. 262 s. ISBN 978-5-8353-2544-3. EDN: TBBGUD. (in Russ.)
8. Moreno-Garcia, J.; Mauricio, J.C.; Moreno, J., et al. Detection of Protein Markers for Autophagy, Autolysis and Apoptosis Processes in a Saccharomyces cerevisiae Wine Flor Yeast Strain when Forming Biofilm. BioRxiv - the Preprint Server for Biology. 2018. DOI: https://doi.org/10.1101/324772.
9. Oganesyanc, L.A.; Rejtblat, B.B.; Dubinchuk, L.V. i dr. Issledovanie Processa Vtorichnogo Brozheniya s Ispol'zovaniem Fluktuiruyush-chih i Immobilizovannyh Drozhzhej[Secondary Fermentation Process Using Fluctuating and Immobilized Yeast Research]. Vi-nodelie i Vinogradarstvo. 2012. No. 5. Pp. 16-18. EDN: PDHWQB. (in Russ.)
10. Nedovic, V.; Gibson, B.; Mantzouridou, T.F., et al. Aroma Formation by Immobilized Yeast Cells in Fermentation Processes. Yeast. 2015. Vol. 32. Iss. 1. Pp. 173-216. DOI: https://doi.org/10.1002/yea.3042.
13. Косюра В.Т. Игристые вина. История, современность и основные направления производства: монография. Краснодар, 2006. 504 с. ISBN 5-98272-029-1.
14. Лазарев В.А. Разделение и концентрирование молочной сыворотки на ультрафильтрационных и обратноосмотических мембранах: диссертация ... канд. техн. наук: 05.17.18 / Рос. хим.-тех-нол. ун-т им. Д.И. Менделеева. Екатеринбург, 2015. 119 с.
15. Rayess, Y.E.; Albasi, C.; Bacchin, P., et al. Cross-Flow Microfiltration of Wine: Effect of Colloids on Critical Fouling Conditions. Journal of Membrane Science. 2011. Vol. 385-386. Pp. 177-186. DOI: https:// doi.org/10.1016/j.memsci.2011.09.037.
16. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов: в 2 кн. Изд. 2-е. М.: Химия, 1995. Часть 2: Массообменные процессы и аппараты. 368 с. ISBN 5-7245-1007-3.
17. Тимкин В.А., Новопашин Л.А., Мазина О.А. и др. Разработка параметров процесса обратноосмотического концентрирования плодоовощных соков // Мембраны и мембранные технологии. 2019. Т. 9, № 4. С. 310-314. DOI: https://doi.org/10.1134/ S2218117219040096. EDN: YXUGAF.
11. Pishchikov, G.B.; Popova, D.G.; Minuhin, L.A. K Voprosu Immo-bilizacii Mikroorganizmov na Kontaktnyh Poverhnostyah v Pro-dol'no-Sekcionirovannyh Bioreaktorah [On the Issue of Microorganisms Immobilization on the Contact Surfaces in Longitudinally Sectioned Bioreactors]. APK Rossii. 2020. Vol. 27. No. 3. Pp. 557-562. EDN: XNNOER. (in Russ.)
12. Pishchikov, G.B. Nauchnoe Obosnovanie i Razrabotka Tekhnologii, Processov i Apparatov Shampanizacii Vina [Scientific Substantiation and Technology, Processes and Devices Development of Russian Wine Champagnization]: Dissertaciya ... D-ra Tekhn. Nauk: 05.18.07, 05.18.12. Vseros. Nauch.-Issled. In-t Pivovar., Bezalkogol. i Vinodel. Prom-sti RASKHN. M. 2002. 315 p. (in Russ.)
13. Kosyura, V.T. Igristye Vina. Istoriya, Sovremennost' i Osnovnye Napravleniya Proizvodstva [Sparkling Wines. History, Modernity and the Main Directions of Production]: Monografiya. Krasnodar. 2006. 504 p. ISBN 5-98272-029-1. (in Russ.)
14. Lazarev, V.A. Razdelenie i Koncentrirovanie Molochnoj Syvorotki na Ul'trafil'tracionnyh i Obratnoosmoticheskih Membranah [Whey Separation and Concentration on the Ultrafiltration and Reverse Osmotic Membranes]: Dissertaciya ... Kand. Tekhn. Nauk: 05.17.18. Ros. Him.-Tekhnol. Un-t Im. D.I. Mendeleeva. Ekaterinburg. 2015. 119 p. (in Russ.)
15. Rayess, Y.E.; Albasi, C.; Bacchin, P., et al. Cross-Flow Microfiltration of Wine: Effect of Colloids on Critical Fouling Conditions. Journal of Membrane Science. 2011. Vol. 385-386. Pp. 177-186. DOI: https:// doi.org/10.1016/j.memsci.2011.09.037.
16. Dytnerskij, Yu.I. Processy i Apparaty Himicheskoj Tekhnologii [Chemical Technology Processes and Apparatuses]: Uchebnik dlya Vuzov: v 2 Kn. Izd. 2-e. M.: Himiya. 1995. Chast' 2: Massoobmennye Processy i Apparaty. 368 p. ISBN 5-7245-1007-3. (in Russ.)
17. Timkin, V.A.; Novopashin, L.A.; Mazina, O.A. i dr. Razrabotka Par-ametrov Processa Obratnoosmoticheskogo Koncentrirovaniya Plodoovoshchnyh Sokov [Reverse Osmotic Concentration Process Parameters Development of Fruit And Vegetable Juices]. Mem-brany i Membrannye Tekhnologii. 2019. Vol. 9. No. 4. Pp. 310-314. DOI: https://doi.org/10.1134/S2218117219040096. EDN: YXUGAF. (in Russ.)
Информация об авторах / Information about Authors Пищиков
Геннадий Борисович
Pishchikov, Gennady Borisovich
Тел./Phone: +7 (343) 283-11-38 E-mail: [email protected]
Доктор технических наук, профессор кафедры пищевой инженерии Уральский государственный экономический университет
620144, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Food Engineering Department Ural State University of Economics
620144, Russian Federation, Ekaterinburg, 8 March St. / Narodnoy Voli St., 62/45 ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4899-8984
Лазарев
Владимир Александрович
Lazarev,
Vladimir Alexandrovich
Тел./Phone: +7 (343) 283-11-26 E-mail: [email protected]
Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры пищевой инженерии Уральский государственный экономический университет
620144, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Food
Engineering Department
Ural State University of Economics
620144, Russian Federation, Ekaterinburg, 8 March St./Narodnoy Voli St., 62/45 ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0470-7324
Позняковский Валерий Михайлович
Poznyakovskiy, Valéry Mikhailovich
Тел./Phone: +7 (3842) 73-48-56 e-mail: [email protected]
Заслуженный деятель науки РФ, доктор биологических наук, профессор, руководитель
научно-образовательного центра «Прикладная биотехнология и нутрициология»
Кемеровский государственный медицинский университет
650029, Российская Федерация, г. Кемерово,ул. Ворошилова, 22А
Профессор кафедры технологии питания
Уральский государственный экономический университет
620144, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45
Honored Scientist ofthe Russian Federation, Doctor of Biological Sciences, Professor, Head ofthe Research and Education Center "Applied Biotechnology and Nutrition" Kemerovo State Medical University
650029, Russian Federation, Kemerovo, Voroshilova St., 22A Professor ofthe Food Technology Department Ural State University of Economics
620144, Russian Federation, Ekaterinburg, 8 March/Narodnoy Voli St., 62/45 ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2144-1238
Кожова
Алена Андреевна
Kozhova,
Alyona Andreevna
Тел./Phone: +7 (343) 252-72-53 E-mail: [email protected]
Студент
Уральский государственный аграрный университет
620075, Российская Федерация, г. Екатеринбург,ул. Карла Либкнехта, 42
Student
Ural State Agrarian University
620075, Russian Federation, Ekaterinburg, Karla Liebknechta St., 42 ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3172-869X
