CC BY
66
УДК 663.14; 636.087; 663.12
И. В. Логинова, Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СУХИХ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ
Ключевые слова: спиртовая барда, кормовые дрожжи, материальный баланс, математическое моделирование,
оптимальное проектирование.
Рассмотрена задача оптимального проектирования процесса производства сухих кормовых дрожжей с использованием математической модели переработки барды на основе аэробного культивирования микроорганизмов на сложных средах, разработанная для двухступенчатой схемы производства спиртового завода.
Key words: alcohol stillage, fodder yeast, material balance, mathematical modeling, optimal design.
Optimal design of dry fodder yeast production in alcohol plants using a mathematical model of stillage processing basing on aerobic cultivation of microorganisms on complex media is considered.
Проведение промышленных экспериментов для увеличения выпуска сухих кормовых дрожжей (СКД) является чрезвычайно затратным, поэтому представляется перспективным использовать для этих целей математическую модель роста биомассы.
Решение задачи оптимального проектирования производства СКД для реальных условий существующего спиртового завода позволит сделать правильный выбор эффективной технологической схемы из множества возможных, с более высокой точностью на практике управлять перераспределением потоков питательных веществ, а также ускорить и удешевить разработку проектно-технологических и конструкторских решений. Цель оптимального проектирования - подбор оправданного по затратам и по эффективности работы оборудования, а также соответствующих ему оптимальных параметров управления.
В проектных расчетах была использована математическая модель процесса переработки барды на основе аэробного культивирования микроорганизмов на сложных средах, разработанная для двухступенчатой схемы производства кормовых дрожжей действующего спиртового завода.
Для проведения оптимизации технологического процесса производства СКД в каскаде двух биореакторов Pi и Р2 в качестве управляемых переменных выбраны четыре параметра
ki, k2, Vi, V2:
- режимные параметры - отношение потока барды к потоку посевных дрожжей (Ki) и доля потока барды, направляемая в первый реактор (к2);
- конструкционные параметры - рабочие объемы ректоров Vi и V2.
Критерием оптимальности является производительность батареи реакторов:
P =Ux2 (ki,k2, Vi, V2)'X2 (ki, k2, Vi, V2)-24 ^ max, [кгАСД/сут] (1)
P (ki,k2, Vi, V2) ^ max
Реальный процесс функционирования системы протекает при наличии следующих ограничений:
Uxi < 0,25Vi Ux2 < 0,.i5V2
Х2 > i6,33 (2)
Vi< 25, V2< i50 ki > 0 0 < k2 < i
Здесь Uxi и Ux2 - отбор культуральной жидкости соответственно из Pi и Р2, [м /час];
Х2 - концентрация абсолютно сухих дрожжей (АСД) в Р2, [кгАСД/м3].
Процедура поиска оптимальных значений целевой функции включает в себя поиск решения системы нелинейных уравнений материального баланса процесса аэробного культивирования микроорганизмов.
Рассмотрены различные варианты решения задачи оптимального проектирования.
На рисунках 1 и 2 представлены зависимости относительных величин концентрации Х2 и производительности системы при постоянном объеме второго (V2= const) и первого (Vpi = const) биореакторов соответственно.
А отн. конц-я И отн. произв -тъ
А оттн. конц-я и оттн. произв-тъ
Рис. 1 - Изменения относительных Рис. 2 - Изменения относительных
величин концентрации ДХ2, % и величин концентрации ЛХ2, % и
производительности АР, % при Vp2= производительности ДР, % при Vpi= const
const
На рисунках 3 и 4 представлены зависимости относительных величин концентрации Х2 и производительности системы соответственно при одновременном варьировании рабочих объемов биореакторов.
Увеличение объема второго биореактора приводит к уменьшению концентрации абсолютно сухих дрожжей, а также к замедлению скорости роста производительности по сравнению с теми же показателями, полученными при увеличении объема первого биореактора.
Результаты решения задачи оптимального проектирования в различных вариантах приведены в таблице 1.
Рис. 3 - Изменение относительных величин Рис. 4 - Изменение относительных величин концентрации ЛХ2, % производительности АР, %
Лучшие показатели роста производительности системы достигаются при максимально возможных объемах биореаторов (что вполне очевидно), а качества белкового продукта - при
17S
максимальном объеме первого реактора. Наиболее перспективным представляется вариант проектирования с V2= const. Это наиболее экономичный вариант модернизации производства СКД, при котором одновременно достигается существенный рост как производительности системы (78,3 %), так и концентрации содержания белкового продукта (29,9 %).
Таблица 1 - Показатели роста производительности и концентрации АСД
№ Вариант расчета Vi, м3 V2, м3 Р*, кгАСД/сут АР, % Конц., Х2, кгАСД/ м3 % % <
1 Без оптимизации 10 100 4280,0 0 16,33 0
2 Опт. управление P(ki,k2) ^ max 10 100 5077,4 18,6 16,33 0
3 Опт. пр. при V1=const P(k1,k2,VP2) ^ max 10 150 6218,0 45,3 16,33 0
4 Опт. пр. при V2=const P(k1,k2,VP1) ^ max 25 100 7635,0 78,3 21,21 29,9
5 Опт. проектирование P(k1,k2,VP1,VP2) ^ max 25 150 9920,4 131,7 18,37 12,5
Таким образом, оптимальное проектирование каскада биореакторов показало, что объем генератора биомассы (первого аппарата в каскаде) необходимо увеличить по крайней мере в два раза против традиционно применяемых в микробиологической промышленности технологических систем. При этом общие затраты на модернизацию производства будут минимальны.
Ниже приведены результаты расчетов по биомассе и субстратам при влажности готового продукта 7,15 %.
Таблица 2 - Производительность по биомассе
Показатель Вариант расчета
1 2 4 5
Производительность, [ кг АСД/сут] 4282,0 5077,4 7635,2 9920,4
Сухие вещества барды, [кг АСВ/сутки] 15058,9 17807,6 18045,4 29758,1
Cухие вещества сусла, [кг АСВ/сутки] 3445,1 4798,3 14270,9 14270,9
Содержание белка, [кг/сутки] Дрожжи 1712,8 2030,9 3054,1 3968,2
Барда 3353,6 3965,8 4018,7 6627,1
Сусло 118,5 165,1 490,9 491,0
Общее кол-во полученного белка ,[кг/сутки] 5184,9 6161,8 7563,7 11086,2
Общий поток сухих веществ на выходе, [кг АСВ/сутки] 11687,7 14480,6 20976,7 28517,8
Содержание белка в продукте, % 41,2 39,5 33,5 36,1
Остаток непотреб. растворимых веществ барды, [кг АСВ/сутки] 1405,0 1912,1 1792,5 3338,8
Остаток непотреб. растворимых веществ сусла, [кг АСВ/сутки] 220,6 332,5 637,2 820,3
Расход солей, [кг АМВ/сутки] 778,6 941,1 1217,5 1748,0
Выход непотребленных солей, [кг АМВ/сутки] 270,7 321,0 371,5 557,2
Выброс СО2, [кг СО2/сутки] 1070,5 1269,3 1908,8 2480,1
Выводы
1. Расчет процесса переработки барды для двухступенчатой схемы производства кормовых дрожжей позволяет сделать предположения о наиболее экономичном варианте модернизации производства СКД, при котором одновременно достигается существенный рост, как производительности системы, так и концентрации содержания белка в целевом продукте.
2. Оптимальное проектирование каскада биореакторов показало, что объем генератора биомассы необходимо увеличить в два раза против традиционно применяемых в микробиологической промышленности технологических систем.
3. Полученные результаты могут служить основой для проведения промышленного эксперимента по повышению эффективности переработки послеспиртовой барды. Реализованная задача важна как для проектирования производства СКД, так и для оперативного технологического управления.
Литература
1. Валеева, Р.Т. Моделирование и оптимальное управлениепроцессом производства сухих кормовых дрожжей / Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, И.В. Логинова // Вестник Казан. технол. ун-та.-2011. - Т.14, № 15. - С. 169-176.
2. Мухачев, С.Г. Повышение производительности цеха кормовых дрожжей, перерабатывающего послеспиртовую барду / С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Н.К. Филиппова, Р.Т. Валеева // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2004. - № 1-2. - С. 147- 155.
3. Мухачев, С.Г. Расчет материального баланса цеха кормовых дрожжей/ С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева // «Производство спирта и ликероводочных изделий» 2007. - №1. - С. 8-9.
4. Валеева, Р.Т. Использование спиртовых дрожжей в производстве кормовых препаратов на основе барды / Р.Т.Валеева и др. // «Производство спирта и ликероводочных изделий» 2006.- № 4. С. 20-21.
5. Лапытов, Р.А. Повышение эффективности процесса переработки барды за счет гидролиза ее нерастворимых компонентов /Р.А. Лапытов, С.Г. Мухачев, В.Н. Мельников // V Кирпичниковские чтения. Тезисы докладов. XIII Международная конференция молодых ученых, студентов и аспирантов - Казань, Изд-во Казан. Гос. Технол. Ун-та, 2009, с.348.
6. Харина ,М.В., Повышение эффективности производства кормовых дрожжей /М.В. Харина, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, И.В. Логинова, Р.М. Нуртдинов //.Материалы VI Московского международного конгресса, «Биотехнология: состояние и перспективы равзвития» часть 1 (Москва, 21-25 марта2011г.) М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева 2011-С.332-333
© И. В. Логинова - канд. техн. наук, доц. каф. химической кибернетики КНИТУ; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доц., программист каф. химической кибернетики КНИТУ; [email protected]; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доц., зав. лаб. инженерных проблем биотехнологии каф. химической кибернетики КНИТУ.
