CC BY
0Столыпинский вестник №8/2024
Научная статья Original article УДК 631
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕЛКОВО-ВИТАМИННОГО
КОНЦЕНТРАТА
COOKING TECHNOLOGY PROTEIN AND VITAMIN CONCENTRATE
1,2Кокиева Галия Ергешевна, доктор технических наук, декан Инженерного факультета 1ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова» (670024, Республика Бурятия, город Улан-Удэ, ул. Пушкина, д.8), тел. 8-924-8-66-537, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-3447-1911 , kokievagalia@mail. ru
2Профессор кафедры «Информационные и цифровые технологии» ФГБОУ ВО Арктический агротехнологический университет (677007, Республика Саха (Якутия), г.Якутск, шоссе Сергеляхское, 3 км., дом.3, ), тел. 8-924-8-66-537, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-3447-1911 , kokievagalia@mail.ru
1,2 Kokieva Galiya Ergeshevna, doctor of Technical Sciences, Dean of the Faculty of Engineering of the 1st State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Buryat State Agricultural Academy named after V.R. Filippov" (670024, Republic of Buryatia, Ulan-Ude, Pushkin str., 8), tel. 8-924-8-66-537, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-3447-1911 , kokievagalia@mail.ru
Аннотация. Необходимость покрытия дефицита белка в отечественной и мировой практике поставила задачу создавать технологии и ферментаторы
Столыпинский
вестник
большой единичной мощности для производств БВК. В производствах БВК продуценты кормового белка являются аэробными микроорганизмами. Их выращивание в производственных ферментаторах обычно осуществляют непрерывным способом. Процессы, происходящие в ферментаторе, отличаются исключительной сложностью, т.к одновременно протекают процессы микробиологического синтеза и тепло-массообмена, нескладывающиеся друг на друга. Причем последние зависят от гидродинамической обстановки. При этом гидродинамическая обстановка в ферментаторе и структура потока многофазной системы решающим образом определяются конструктивными особенностями ферментатора и режимами его работы. Следует подчеркнуть, что ферментатор является основным аппаратом любого микробиологического производства и в значительной степени определяет его экономическую эффективность. Рост и размножение кормовых дрожжей в первую очередь определяется сбалансированностью состава используемой питательной среды. В данной статье рассматривается сложность протекания гидродинамических, тепловых, массообменных и биологических процессов.
Abstract. The need to cover protein deficiency in domestic and world practice has set the task of creating technologies and fermenters of large unit capacity for BVK production. In BVK productions, feed protein producers are aerobic microorganisms. Their cultivation in industrial fermenters is usually carried out in a continuous manner. The processes taking place in the fermenter are extremely complex, because the processes of microbiological synthesis and heat and mass transfer, which do not overlap, occur simultaneously. Moreover, the latter depend on the hydrodynamic situation. At the same time, the hydrodynamic situation in the fermenter and the flow structure of the multiphase system are decisively determined by the design features of the fermenter and its operating modes. It should be emphasized that the fermenter is the main apparatus of any microbiological production and largely determines its economic efficiency. The growth and reproduction of feed yeast is primarily determined by the balance of the composition of the nutrient medium used. This article discusses the complexity of hydrodynamic, thermal, mass transfer and biological processes.
Ключевые слова: производство БВК, технология культивирования, сок корневища тростника, ферментатор.
Keywords: BVK production, cultivation technology, cane rhizome juice, fermenter.
Введение
Использование дрожжевых микроорганизмов в пищевых, медицинских и кормовых целях известно давно и основано оно на культивировании дрожжей в условиях брожения или аэробного дыхания. Основными стадиями биотехнологического производства кормовых дрожжей можно считать пять операций, которые взаимосвязаны, но различаются по целям и принципам достижения. Если стадии подготовки сахаросодержащих растворов в качестве питательной среды различны, то схемы переработки их на дрожжи во многом аналогичны и предусматривают выполнение следующих обязательных стадийных операций - получение питательной среды, подогрев и отделение крахмала, ферментация и приготовление товарных форм продукта [1-3].
Технологический процесс, с проведением этапов сушки, расфасовки, маркировки и хранения представлен на рис. 1.
Сырье —► Приготовление питательной среды —► Термообработка
Выделение кормовых дрожжей Ферментация - Фильтрация
1
Сушка —► Расфасовка, маркировка —► Хранение
Рисунок 1. Технологическая схема получения кормового белка
Крахмалсодержащее сырье является основным источником кормового белка, что объясняет его предпочтительное использование в разных исследованиях. Интересным сырьем для проведения нашего исследования является корневище
тростника обыкновенного, так как он очень распространен на территории Якутии. В свою очередь зарастание водоемов тростником может оказать негативное влияние, если заросли тростника составляют более 20% площади водоема. Как утверждают специалисты, значительное зарастание может привлечь за собой накопление отмершей массы, снижение содержания кислорода в водоемах, что, непременно, оказывает отрицательное влияние на жизнедеятельность обитающих в зарослях водных животных. В этом случае появляется острая проблема по уничтожению тростника [4].
Технологическая схема подготовки питательной среды на соке корневища тростника, представлена на рис. 2.
Рисунок 2. Технологическая схема подготовки питательной среды на основе сока
корневища тростника
Получение питательной среды на соке корневища тростника состоит из операций смешивания полученной дрожжевой смеси с соком из корневища тростника. В составе тростника содержится богатый набор минералов и витаминов, таких как калий, магний, железо, кальций, витамин В1, В2, В5, В6. Это делает его ценным продуктом для поддержания здоровья сердечно-сосудистой системы, повышения иммунитета, улучшения работы желудочно-кишечного тракта и
укрепления костной ткани. Корневища молодых тростников содержат множество микроэлементов и витаминов (В1, В2), аскорбиновую кислоту, углеводов (50 %), белков (1 %), жиров (1 %), жирных кислот, до 50% крахмала, 32% клетчатки. В составе корней найдены аминокислота L-пролин, азотсодержащие соединения, алкалоиды, гентизовая, кофейная кислота, целлюлоза, каротин, фитонциды. Так, обладая противовоспалительными, антиоксидантными, диуретическими свойствами, лечебные отвары из корней тростника рекомендованы при воспалительных процессах органов выделительной системы. Корневища тростника извлекают со дна рек и других водоемов ранней весной до цветения растения, либо поздней осенью в октябре-ноябре. Корни промывают, затем сушат в духовках, либо в печах при температуре не выше 50 °С. Хорошо высушенное сырье легко крошится и обладает сладковатым вкусом [4].
Главным фактором, определяющим эффективность процесса получения дрожжевой биомассы, является наличие высокоактивного продуцента. Культура дрожжей, используемая в производстве, должна обладать целым комплексом полезных свойств: обеспечивать высокую степень утилизации источников углерода; давать высокий урожай биомассы, содержащей большое количество полноценного белка и витаминов; иметь высокую удельную скорость роста; быть достаточно устойчивой к контаминации посторонней микрофлорой; легко выделяться из отработанной бражки; не обладать патогенными свойствами. Содержание белка в дрожжах - основной показатель их питательной ценности. По величине накопления белка различные виды дрожжей значительно разняться между собой [5].
В нашем исследовании посевным материалом служит штамм Sаcharomyces Vini Muscat, полученный в питательной среде на соке шиповника. В биомассе винных дрожжей Sacharomyces Vini Muscat содержатся аминокислоты - лейцин, аланин, валин, глицин, тирозин, фенилаланин и метидин в доле 42,7%, аспаргин, лизин, треонин, местионин, изолейцин в доле 31,5% к белку, что определяет высокую биологическую ценность биомассы. Предлагаемый штамм характеризуется крупными клетками, способными образовывать конглономеры,
легко оседающие в бродящем сусле на дно. Образования плотного зернистого осадка способствуют быстрому отделению дрожжей от сусла. [6].
Использование шиповника в качестве инокулята имеет следующие достоинства. В шиповнике содержится много витамина Р (до 3%), С (2%), каротин (12...18%), а также витамины B1, В2, К и холин. Количество сахаров в нем достигает 18%, пектиновых веществ 5%, органических кислот 0,7.1,8%. В семенах шиповника содержится около 9% эфирного масла, витамина Е, каратиноиды. В отличие от ягод других культур в ягодах шиповника нет фермента аскорбиназы, разрушающего витамин С. Плоды шиповника оказывают желчегонное, мочегонное, сосудоукрепляющее, противосклеротическое действие и т.д. все эти перечисленные качества должны перейти в готовую продукцию [7].
Важнейшим элементом приготовления питательных сред является соблюдение требований асептики. Самый распространенный в промышленности термический метод стерилизации жидких и твердых материалов основан на известном факте губительного действия на живые клетки высоких температур. Отмирание клеток под влиянием неблагоприятных факторов внешней среды описывается зависимостью первого порядка
Где N - число жизнеспособных клеток к моменту времени ^ k - константа инактивации, зависящая от температуры по экспоненциальному закону;
Предэкспонента к0 определяется типом культуры и составом среды, а константа Е, аналогичная энергия активации в уравнении Аррениуса для химических реакций, зависит от природы клеток и свойств культуральной жидкости, прежде всего от рН.
В интегральном виде зависимость (1) описывается экспонентой
т.е. отношение числа клеток, имевшихся в исходном материале N0, к числу выживших к моменту t меняется во времени по логарифмическому закону. Уравнение (3) позволяет рассчитать время выдержки при заданной температуре Т, которое обеспечивает достижения заданной степени стерилизации.
(1)
к = ко ехр(~Е/КТ)
(2)
N0^ = ек
(3)
Стадия ферментации является центральной среди этапов производства кормовых дрожжей. Ферментация является совокупностью последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и термостатированную среду инокулянта и до завершения процессов роста, биосинтеза. Аппарат должен обеспечить скорость растворения кислорода, которая равна:
М = Ь°2*Х (4)
Обычно исходные данные на проектирование содержат следующие основные сведения-производительность, удельную производительность ферментатора, удельный расход кислорода.
Можно считать установленным факт, что микроорганизмы потребляют только растворенный кислород. Кислород является труднорастворимым газом. Максимальная концентрация растворенного в культуральной жидкости кислорода составляет при 320 С 5,6 мг О2*л. Из-за малой растворимости в культуральных средах и относительно большой скорости потребления кислорода, что определяется заданным удельным сьемом продукции лимитирующий субстрат. На примере процесса выращивания дрожжей показано, что при содержании растворенного кислорода не ниже 10% от равновесной концентрации не наблюдается снижения физиологической активности. Потребление кислорода происходит со скоростью, не зависящей от концентрации растворенного кислорода до тех пор, пока она остается выше критической. Влияние массопередачи по кислороду, как лимитирующему субстрату, на скорость выращивания микроорганизмов необходимо учитывать только в ферментаторах с малоинтенсивным перемешиванием и массообменом. Биомасса не увеличивается при повышении интенсивности аэрации свыше 150 ммоль*л-1 *ч-1, т.е процесс биосинтеза переходит в кинетическую область. Поэтому учитывать влияние величины скорости растворения кислорода на процесс роста микроорганизмов не требуется. Создаваемые в настоящее время ферментаторы большой единичной мощности являются, в основном, аппаратами интенсивного массообмена и обеспечивают протекание процесса выращивания микроорганизмов-продуцентов кормового белка в кинетической области при отсутствии лимита по кислороду как субстрату. Объемный коэффициент массопередачи характеризует скорость
растворения кислорода. При соблюдении геометрического подобия, интенсивном перемешивании маловязких культуральных сред, что имеет место при выращивании кормовых дрожжей достигают хороших результатов при масштабировании.
Удельное потребление кислорода микроорганизмами зависит от их скорости и определяется затратами на образование клеточной структуры и энергетическим обменом. Зависимость для расходного коэффициента по кислороду с учетом этих моментов:
Ь°2 = а + ЪуГ1 (5)
Где а-коэффициент, учитывающий расход кислорода на ростовые процессы, кг/кг биомассы;
Ь-коэффициент, учитывающий расход кислорода на поддержание жизни, кг*кг-1ч-1.
При непрерывном выращивании микроорганизмов-продуцентов кормового белка скорость потребления кислорода равна скорости растворения кислорода в культуральной среде:
К1 * а(Ср -С)=Ь°2*^*Х + ОС (8)
В настоящее время нет единого мнения о механизме поступления малорастворимых питательных веществ в клетку. Одни авторы считают, что потребление углеводородов осуществляются при прямом контакте дрожжевых клеток с каплями субстрата, а другие полагают возможным диффузионное потребление растворенных углеводородов. Выдвигаются и другие различные предположения. Следует отметить, что на данном этапе знаний предполагаемые гипотезы потребления малорастворимых субстратов и их математические модели несмотря на свою оригинальность, пока далеки от их практического применения при разработке конструкции ферментаторов.
Требуется более глубокое изучение самого процесса и совершенствования его математических моделей. Учитывая, что ферментаторы являются массообменными аппаратами и предназначены для создания необходимых по интенсивности условии перемешивания, тепло-и массообмена рассмотрим критерии и параметры масштабирования таких аппаратов. Так как вопросы теплообмена в моделях и
промышленных ферментаторах легко решаются и не лимитируют создание аппарата, то в наших дальнейших рассуждениях они не будут рассматриваться. Принимается, что оптимальные условия теплообмена обеспечены как в модели, так и в промышленном аппарате. Для проведения анализа внесем уточнение в терминологию. Необходимо отметить, что в литературе, характеристики, используемые для масштабирования, чаще всего называют критериями, что не всегда является корректным. Действительно, среди них имеются критерии масштабирования (моделирования) в соответствии с трактовкой «критерии подобия», другие же величины представляют собой параметры, характеризующие какую-либо сторону процесса или аппарата в абсолютном выражении или безразмерной форме.
Такое большое количество критериев и параметров еще раз подчеркивает большую сложность масштабирования и отсутствие у исследователей единого мнения по решению этой проблемы. Казалось бы, что надежное масштабирование можно достигнуть при использовании критерия в сочетании с критериями.
Однако в большинстве практических случаев ожидаемый эффект не получается. Одной из причин этого является попытка заменить описание многофазных систем критериями, полученными для каждой фазы раздельно, так как при этом не учитывается взаимодействие фаз.
При масштабировании ферментаторов в терминологии используемых для этой цели характеристик необходимо придерживаться определения «критерии» называть параметрами масштабирования. В табл. 1 приведены критерии масштабирования
Таблица 1 - Критерии масштабирования
№п /п Наименование Обозначение
1 Критерии Нусельта диффузионый Мид = Кь*1* Б-1
2 Критерии Рейнольдса Яе = Ш *1*У-1
3 Критерии Рейнольдса модифицированный Яец = п* 0* V-1
4 Критерии Фруда Рг = Ш2(д*1)-1
5 Критерии Фруда модифицированный РГц = п2 1
6 Критерии Вебера ще = рЩ21т-1
7 Критерии Эйлера Еи = КЫ = АР(рЩ2)-1
8 Критерии Прандтля Рг = уБ-1
9 Критерии расхода газа Q = уг(пй3)-1
10 Критерии гидродинамического подобия Р = ЕиРг = Мд(пй^)-1х(рдН)-1
Для выяснения механизма поступления питательных веществ, в том числе кислорода в клетку, обычно анализируется каждая стадия фазового перехода и переноса массы. То есть используется прием хорошо известный в процессах основной химической технологии. При этом стадия с наибольшим сопротивлением лимитирующей и определяет скорость протекания всего процесса. В процессах выращивания продуцентов кормового белка чаще всего лимитирующей стадией является массопередача кислорода из газовой фазы в жидкую. Ранее отмечалось, что в условиях интенсивного перемешивания достигаемая скорость растворения кислорода соответствует такому гидродинамическому режиму, когда условия перемешивания практически не лимитируют производительность ферментатора.
Процесс массопередачи может быть разделен на диффузионную часть в газожидкостных пленках и на внутриклеточную необратимую биохимическую реакцию и, соответственно, описан уравнениями:
или
г! г
£ = К1а (С* -С)- К-(С - -СКЛ)Р (10)
Где У П2иУд -соответсвенно количество кислорода, поступающего из газовой
фазы в жидкую и количество кислорода расходуемое на обеспечение жизнедеятельности микроорганизмов. В 1970-1980 гг. появились работы, в которых отмечают, что влияние перемешивания «через кислород» не может рассматриваться как универсальный механизм, объясняющий все известные экспериментальные данные. Это направление исследований в нашей стране получило наиболее широкое развитие в работах В.В. Кафарова, Л.С. Городеева,
А.Ю. Винарова и В.В. Бирюкова. Суть влияния перемешивания заключается в том, что при выращивании мицелиальных культур, актиномицетов и т.п. в вязких культуральных средах возникают полужесткие колонии -агломераты, состоящие их многих микроорганизмов, не связанных гифами, а находящихся вместе из-за отсутствия относительного движения слоев жикости, в которой находятся микроорганизмы. При этом процесс доставки кислорода и питательных веществ к клеткам агломератам осуществляется с меньшей скоростью чем в отдельно существующим клеткам, находящимся вне агломерата, что в конечном итоге приводит к снижению производительности ферментатора. Количественный анализ влияния клеточных агломератов проводят на основе предложенной в характеристики микросмешения, названной степенью сегрегации. Понятие степени сегрегации связано с концепцией «жиких частиц». Согласно этой концепции жидкость, поступающая в реактор, диспергируется на «жидкие частицы», каждая из которых функционирует как самостоятельная система. Предполагается, что объем «жидкой частицы» достаточно мал по сравнению с реакционным объемом, но достаточно велик, чтобы содержать в себе большое количество мельчайших частиц (молекул). Молекулы, составляющие частицу остаются в ней в течение времени ее пребывания в реакторе.
Если состояние жидкости соответствует этим условиям, то жидкость считают полностью сегредированной. Степень сегредации в этом случае равна 1. Если жидкость, поступающая в реактор, полностью перемешиваются на микроуровне, что имеет место в моделях аппаратов идеального смещения, то в этом случае степень сегредации равна 0. Предложены математические модели как для крайних случаев микросмешения (степень сегредации ] равна 1 и 0), так и для промежуточных состоянии 0 <]<1. Следует отметить, что отсутствие точных математических моделей макрокинетики процесса биосинтеза кормового белка и сложные математические описания структуры потоков в ферменторах пока не позволяют в достаточной степени использовать это интересное направление в практической работе при расчете и конструировании промышленных ферментаторов. Кроме того, коэффициенты предложенных математических моделей определяются экспериментально, что не позволяет прогнозировать
условия перемешивания в промышленном аппарате без проведения исследований. С достаточной уверенностью можно полагать, что при высокой интенсивности растворения кислорода, для достижения которой требуется значительная мощность на перемешивание (Nv = 2 ...10 кВт * м-3), степень сегредации близка к 0, так как аппарат приближается к модели идеального перемешивания.
При достижении высокой интенсивности растворения кислорода, заведомо будет обеспечена высокая степень перемешивания жидкой фазы по структуре потока близкой к модели идеального перемешивания. Условия, способствующие появлению агломератов, наиболее присущи процессам выращивания микроорганизмов в ферментаторах на вязких культуральных средах и где не требуется высокая интенсивность процесса перемешивания и массообмена (производство антибиотика, медпрепаратов, ферментов, аминокилот). Следовательно, на данном этапе знаний, обеспечение заданной скорости растворения кислорода, механической надежности и долговечности ферментаторов для производства БВК при минимальных затратах является основной задачей конструкторов.
Сырьевая база по получению кормового белка разнообразна. Дрожжи, выращенные на гидролизатах древесины и другого различного сырья, гораздо богаче витаминами и белками. Кормовые дрожжи используются как биодобавка в рационе кормления сельскохозяйственных животных и птиц. Дрожжи, полученные на отходах картофеля с добавлением инокулята из выжимок шиповника содержащих комплекс витаминов в процесс изготовления кормовых дрожжей, продукт приобретает наиболее обширный диапазон питательных по своим свойствам продукт, насыщенный макро-и- микроэлементами. Также дрожжи полученные с добавлением такого рода добавки имеет фармакологическое значение.
С целью интенсификации процесса культивирования микроорганизмов наиболее перспективным являются ферментаторы с механическим перемешивающим устройством в виде мешалок различной конструкции, в виде турбин, лопастей, пропеллеров, винтов и др.
Во всех выше рассмотренных ферментаторах в качестве пеногасителей используют различного рода дополнительные механические устройства, усложняющие конструкцию ферментаторов и увеличивающие нагрузку на электродвигатель.
На данное время имеется ряд работ, имеющих технические решения по оптимизации методов разработки перемешивающих устройств. Но, несмотря на имеющиеся и использующиеся конструкции мешалок, эффективно так и не разработано.
Обычно исходные данные на проектирование содержат следующие основные сведения - производительность, удельную производительность ферментатора,
удельный расход кислорода М = а0 • X или М.
Следует отметить, что отсутствие точных математических моделей макрокинетики процесса биосинтеза кормового белка и сложные математические описания структуры потоков в ферментаторах пока не позволяют в достаточной степени использовать это интересное направление в практической работе при расчете и конструировании ферментаторов. Кроме того, коэфициенты предложенных математических моделей определяются экспериментально, что не позволяет прогнозировать условия перемешивания в промышленном аппарате без проведения исследований. С достаточной уверенностью можно полагать, что при высокой интенсивности растворения кислорода для достижения которой требуется значительная мощность на перемешивание степень сегрегации близка к 0, так как аппарат приближается к модели идеального перемешивания Это также установлено как при обследовании промышленных ферментаторов с рабочей вместимостью до 400м3 для производства БВК, так и при исследовании опытных моделей вместимостью 1.15 м3. Поэтому учитывать явление сегрегации жидкости в аппаратах интенсивного массообмена с большой удельной мощностью на перемешивание (2.10 кВт *м-3) не следует. При достижении высокой интенсивности растворения кислорода, заведомо будет обеспечена высокая степень перемешивания жидкой фазы по структуре потока близкой к модели идеального перемешивания. Кратность циркуляции в таких аппаратах может достигать величины 60.400 ч-1. Хотя, конечно могут быть неудачные конструкции
ферментаторов, в которых образуются застойные зоны, и, соответственно, могут появиться агрегаты микроорганизмов. Условия, способствующие появлению агломератов, наиболее присущи процессам выращивания микроорганизмов в ферментаторах на вязких культуральных средах и где не требуется высокая интенсивность процесса перемешивания и массообмена (производство ферментов, медпрепаратов).
Следовательно, на данном этапе знаний, обеспечение заданной скорости растворения кислорода, механической надежности и долговечности и состоит задача для производства БВК при минимальных затратах является основной задачей конструкторов.
Для того, чтобы вести техническое проектирование ферментаторов типа ФГК перед конструктором следующие основные конструктивные, режимные, гидродинамические и массообменные параметры (табл.1)
Таблица 1- Основные конструктивные параметры для расчета конструктивных особенностей ферментатора типа ФЖГМ
Наименование гидродинамических и массообменных параметров (Вместимость аппарата) Система СИ
Рабочая Vр , м3
Геометрическая вместимость аппарата Vф , м3
Диаметр аппарата D, м3
Высота аппарата Нф, м
Площадь сечения циркуляционного контура или диаметр Дк F, м3 Dk
Приведенная скорость воздуха Wг, мс-1
Расход воздуха V, м 3 с-1
Рабочее давление P, МПа
Мощность, затрачиваемая на компремирование воздуха № N кВт
Среднее газосодержание ф , отн.ед
Скорость потока жидкости ¥ж, мс-1
Высота слоя Н0, м
Кратность циркуляции К, с-1
Время гомогенизации т ,с
Скорость растворения кислорода М, кг О2 м 3 с-1
Объемный коэфициент массопередачи Кь *а, с-1
На получение биомассы Касб кВт*ч*кг-1
На растворение кислорода N02, кВт*ч*кг-1
На получение биомассы Уасб, нм3* кг-1
На растворение кислорода У02нм*кг -1
Коэфициент использования кислорода воздуха
Кроме того, конструктор должен уметь обосновать конструкцию диспергатора и их количество по высоте аппарата, если они необходимы для обеспечения заданных по интенсивности процессов перемешивания и массообмена[26, 30].
Исходя из задач, стоящих перед конструкторами, рассмотрим материал, имеющийся в литературе для инженерного расчета ферментаторов типа ФГК. Исследования проводились в сосудах, выполненных из органического стекла диаметром 0,2; 0,3; 0,4; 0,56; 0,8; 1,0 м, снабженных комплектом конусных эрлифтов с диаметром нижнего среза 0,1.0,3 диаметра аппарата. Эрлифты устанавливались на высоте, равной 0,8 диаметра нижнего среза. Высота заролнения изменялась в пределах 1,3.2,6 диаметра аппарата. Расход воздуха изменяли в диапазоне 1,5.18 м3*ч-1. Экспериментальные данные аппроксимировались зависимостью:
\т0.36,40.68 а.0.1 „0.12 «0.08 ,,0.34
Ш =021^—-——-—-— (1)
Пределы применимости полученного уравнения определяются следующими значениями критериев и симплексов геометрического подобия: Яе = 4.1 • 102 ... .2.5 • 104; Ку•Яе= 1.6 • 103 ... .4.8 • 104;
Г^ =5,0—11,2; Гн=6,5 .„.16,0; Гн=4.8..10,7;
Причем:
Re = 0.21(К^е)036 • (^У'08 • Са°'34 • Г-064 • ГЙ'4 • Г^1 (1)
КУ • Re = 25(^2)0Л • Ьа~0ш02 • Г%42 • Г°°;2 (2)
^е
При конструировании газлифтного аппарата важное значение имеет выбор соотношения fб•fц-1
Исследования, проведенные [273] показали, что оптимальной величиной является 1.1,5, а высота барботажной трубы - 15.20 м, свыше которой скорость циркуляции не увеличивается из-зи значительно возраствющих гидравлических потерь на преодоление сил трения. В [310] указывается, что наиболее экономически выгодна высота слоя жидкости Ио= 12 м, оптимальная высота -Но=20 м.
^Шт1 =1.6
Во много раз превосходящие значения ^Тц-1 рекомендуются фирмой для колонного галлифтного аппарата высотой 50. 60 м
(10>Н0 *D-11 >2). Работающего под избыточным давлением 0,15 Мпа. С целью обеспечения скорости восходящего потока 0,2. 0,8 м*с-1, а нисходящего 2.5 м*с-1 ^Ш,-1 должно равняться 3.8.
Вэнг и Нэтч в своих исследованиях показали, что оптимальное значение ^Тц-1 =0,9. В то же время они отмечают его несущественность в некотором диапазоне отношении ^Тц-1 =0,9.1.
Большое различие рекомендуемых значений отношений объясняется,
видимо, различным назначением аппаратов.
В работе иностранного ученого Лина Ц изучалось влияние приведенной скорости воздуха размеров аппарата на время перемешивания и циркуляции.
Установлено, что с увеличением диаметра аппарата при заданной скорости воздуха время перемешивания и циркуляции увеличивается (рис. 1) и т и 1 ~ Wr0'43.
В работах ряда ученых Джексона М.Л., Шеннона С. И др. указывается, что исследованным колоннам D=0,076; 1.8; 7.6 м присуще почти идеальное перемешивание. Изменение концентрации растворенного кислорода равно всего 0,6*10-6 при Н)=13м.
В настоящее время АПК является мощнейшим двигателем в российской экономике. В республике Бурятия все пищевые бродильные предприятия работают в динамичном режиме, что двигает нас на рассмотрение различных компонентов характеристик технического изделия не изолировано. А как взаимосвязанную систему базовых показателей, которая определяет конкурентоспособность продукции: качество машин и оборудования пищевой и бродильной промышленности, уровень технического сервиса в эксплуатации (гарантийное и послегарантийное обслуживание и ремонт) и др.
Качественно изготовленные изделия определяют конкурентоспособность целого производства, так как это на прямую связано с проектно - конструкторской работой и технологической линией производства. При этом проблема всей промышленности состоит в необходимости и внедрения комплекса организационно-технических, технологических и методических мероприятий, направленных на реорганизацию предприятия в целом.
На данное время, в условиях динамичного производства почти все промышленное оборудование изношено до предела, приобретение же нового или его замена непосильна для некоторых организации пищевых и бродильных организации. Результаты анализа данных по республике Бурятия по вопросам повышения износостойкости показали необходимость в разработке подходов, которые бы обеспечили бы наиболее полный учет всех взаимосвязанных факторов: рабочая среда, материалы детали, внешних условий изнашивания, возможность автоматизации восстановления поверхностей.
В данный момент применяемые на местных предприятиях металлы и сплавы для их изготовления, восстановления и упрочнения деталей, технологические мероприятия по повышению их долговечности не обеспечивают требуемого срока
службы рабочих органов. Следует отметить, что на предприятиях нет сопоставления показателей качества услуг по техническому обслуживанию и ремонту технологического оборудования с нормативными из-за отсутствия оценок, что затрудняет заключение комиссий по качеству и принятия решения о выдаче соответствующего документа качества. Поэтому, считаем целесообразным проведение исследований с разработкой научно- методического обеспечения, которое включает комплексное изучение характера и механизма изнашивания, влияния типа металлической основы и количества упрочняющей фазы на способность материала сопротивляться изнашиванию в условиях их интенсивной эксплуатации.
Основная часть
Рассмотрим основные гидродинамические параметры, необходимы для расчета ферментатора и характеризующие гидродинамику в ферментаторе.
Ферментационное оборудование подбирается, таким образом, чтобы массообмен обеспечивал поступление кислорода к клеткам в количествах, необходимых и оптимальных для данной культуры в данной фазе роста. Необходимо поддержание заданной температуры культивирования, давления, рН среды, уровня растворенного кислорода, времени ферментации и концентрации лимитирующего субстрата. Выращивание дрожжей ведется в течение 16.20 часов, затем рост микроорганизмов прекращается.
Одним из основных параметров характеризующих процесс перемешивания, является расход энергии, необходимый для достижения заданной эффективности. При выборе типа перемешивающегося устройства предпочтение отдают тому, у которого затрачиваемая энергия меньше, а заданный технологический эффект при прочих равных условиях такой же, как у других перемешивающих устройств.
На основе теории подобия уравнение для расчета энергии на перемешивание жидкой фазы:
м0 = км*р*м3*а5* д-1 (3)
Где дс -коэффициент пересчета, в системе Си дс=1.
Известен и другой подход к расчету мощности основанный на допущении о том, что ее величина однозначно определяется особенностями обтекания лопастей
потока перемешиваемой среды, выражаемыми через характеристики гидравлического сопротивления.
При перемешивании в аппаратах с многоярусными перемешивающими устройствами затраты энергии резко возрастают. Так, например, увеличение числа ярусов от одного до двух вызвало соответствующее повышение энергии на перемешивание неаэрируемой жидкости вдвое. Наращивание числа ярусов до шести при расстоянии между соседними мешалками приводило к увеличению расхода энергии на перемешивание жидкости прямо пропорционально числу ярусов.
При расчете энергии на перемешивание жидкости предлагается учитывать поверхностную аэрацию.
Перемешивание систем газ-жидкость сопровождается резким снижением затрат энергии вследствие уменьшения плотности двухфазной дисперсной системы. Для получения гомогенной взвеси рекомендуется выдерживать расстояние между соседними мешалками 1=(1... 1,5). При 1=1,5 йм отсутствует их взаимное гидравлическое влияние, а общая энергия на перемешивание равняется сумме энергии единичных мешалок.
С увеличением расстояния между мешалками 1=1,5 йм появляется тенденция расширения зон с неравномерно распределенными взвесями. Для расчета мощности предложен ряд зависимостей, по одним из них мощность рассчитывается непосредственно, по другим через относительную мощность.
При расчете мощности конструкторы находятся в затруднительном положении, так как расчет по приведенным зависимостям дает значения мощности, отличающиеся почти в два раза. Поэтому одним из важных вопросов исследователей станет выбор типа уравнения для расчета мощности.
В табл. 2 приведены основные уравнения для расчета мощности
Таблица 2-Основные уравнения расчета мощности
№ п/п Вид уравнения
1 Ыд * N0-1=O,88Q~o'33
2 Ыд * Ы-1 = 1,9[Ы0;па3(уг/РГо'5бОЛ5
3 Ыд * Ы-1 = 0,706[Ы2ПС13(Уг/РУ0-560'45
4 Ыд = 3,10-3(ЫЦпй^3)°'39 * К-0'08
5 ^(Ыд * Ы-1 - 0'33) = -0,155 - 0'145Шг * б-1
6 Ыд * Ы-1 = с*Ат*К1*К2 Где с, Л,ш, К, К2 определяются в зависимости от режима работы мешалки, величины отношения б^* Б-1'Б * б-1 и вязкости среды
При расчете мощности конструкторы находятся в затруднительном положении, так как расчет по приведенным зависимостям дает значения мощности, отличающиеся почти в два раза.
Для расчета может применяться зависимость:
Nor = f(Q) (4)
Отмечалось, что при значениях Q> 6 для определенного типа одноярусных мешалок и мешалки работают в режиме «захлебывания» (газ не диспергируется лопастями мешалки, а обтекают их и поднимается вверх по валу).
В аппаратах с многоярусным перемешивающим устройством постоянное значение N0T наступало при больших значениях Q> 36, что объяснялось перераспределением газа, вызывающимися увеличением числа ярусов тя и различием в конструкции газораспределителя. Такой эффект наблюдается в аппаратах с рассредоточенными по объему мешалками. Анализ приведенных данных показывает, что среди исследователей не существует единого мнения по вопросу определения энергии на перемешивание за исключением расчета N0 для одной мешалки. Что касается Ng и особенно для многоярусных перемешивающих устройств, мнения исследователей расходятся, это подчеркивает сложность процесса перемешивания при использовании таких перемешивающих устройств и подтверждает необходимость дальнейшего его изучения.
Гомогенизация
Под газосодержанием понимают долю объема газовой фазы в общем объеме газожидкостной системы. Величина газосодержания является важной характеристикой, которая определяет удерживающую способность аппаратов по газовой фазе и через плотность газожидкостной системы влияет на Ng. Предложено
множество уравнении для расчета газосодержания в аппаратах с мешалками. Основные из них детально рассмотрены во многих работах. Анализ показывает, что большинство из них могут быть приведены к виду:
Ф = А* Шгв (5)
Степень влияния на ф параметров, входящих в уравнение, зависит от механизма образования газо-жидкостной дисперсии в процессе принудительного барботажа.
Кроме определения среднего газосодержания газожидкостной системы, значительный интерес представляет определение локального. Оценивая распределения локального газосодержания по объему жидкости, можно установить активные и застойные зоны в дрожжерастильном аппарате. На основании таких исследовании представляется возможным внести соответствующие конструктивные изменения и оптимизировать распределение газа.
Время гомогенизации
Под временем гомогенизации т понимается время, в течение которого происходит полное выравнивание концентрации в рабочем объеме аппарата. Время гомогенизации является одним из важнейших параметров, характеризующих интенсивность перемешивания и показывает, за какое время достигается эффективность перемшивания, например, равномерное распределение биомассы дрожжей по высоте аппарата. Помимо этого время гомогенизации характеризует структуру потока в аппарате и, соответственно, соотношение активных и застойных зон, и в конечном итоге определяет интенсивность процессов ассо-и теплообмена. Для геометрически подобных аппаратов время перемешивания может быть масштабирующим параметром, когда необходимо сохранить условия перемешивания для аппаратов большого размера.
При математическом моделировании структуры потоков в ферментаторе установлено, что основное влияние на перемешивание оказывает диаметр и частота вращения мешалки, вязкость культуральной жидкости и число ярусов мешалок. При вязкости культуральной жидкости более 0,15 Па*с значение времени перемешивания становится одним из решающих параметров, который необходимо учитывать при проведении ферментации. Гидродинамические условия считаются
оптимальными, если выравнивание концентрации распределяемого компонента происходит не более чем за четыре цикла рециркуляции, то есть:
Ур * д-1 < 4 (6)
Где §-перекачивающая способность мешалки.
Несмотря на значительное количество работ, конечной целью которых являлась оценка гидродинамического режима в аппаратах по времени перемешивания, отсутствуют исследования по влиянию числа ярусов на время гомогенизации. Изучение этого процесса может способствовать более успешному поиску оптимальной конструктивной схемы ферментатора и режима его работы.
Массообмен
При абсорбции труднорастворимых газов (кислорода) сопротивление массопередаче сосредоточено, в основном, в жидкостной пленке, а сопротивление газовой пленки настолько мало, что им можно пренебречь. Значительный интерес представляет изучение скорости растворения кислорода М, объемного и поверхностного коэффициента массопередачи кислорода в жидкой фазе и факторов, оказывающих на них влияние.
В связи со значительными трудностями определения поверхности контакта фаз, число работ по изучению невелико. Наибольшую ценность для изучения процесса массопередачи в жидкой фазе в барботажных аппаратах с механическим перемешиванием представляют экспериментальные работы, в которых непосредственно выявляется влияние на процесс гидродинамических, физико-химических, конструктивных и режимах параметров. Несмотря на интенсивно проводимые исследования до настоящего времени отсутствуют единые зависимости, описывающие влияние на массообмен конструктивных и режимных параметров, а также физико-химических характеристик исследуемых систем.
Между объемным коэффициентом массоотдачи и удельной мощностью на механическое перемешивание газожидкостной системы существует степенная зависимость. Влияние удельной мощности на массообмен различно: от Ыу'4 до
1 79
Ы-1' . Показатель степени по данным различных авторов зависит либо от типа мешалки, приведенной скорости газа и конструкции газораспределительного устройства, либо является постоянной величиной. Расхождение показателей
степеней объясняется как выбором различных определяющих факторов, влияющих на Кг* а так и разными условиями проведения экспериментов (пределы изменения независимых переменных, конструкция мешалки и т.п). другим гидродинамическим параметром, связанным с Кг* а , в большинстве работ является приведенная скорость газа. Характер зависимости Кг* а от Шг в уравнениях также различен. Некоторые авторы устанавливают степенную зависимость между Кг* а иЖг, причем значение показателя степени при Шг лежит в интервале 0,4.0,76 и зависит от типа мешалки и конструкции газораспределительного устройства. Другие авторы доказывают, что связь между Кг* а иШг имеет значительно более сложный характер, чем степенной.
Иногда в корреляционную формулу включается скорость вращения мешалки. При частоте вращения мешалок ниже так называемой «критической» и приведенных скоростях потока газа >0, 01 м*с-1 диспергирование газа зависит только от частоты вращения мешалок, а значения а и Кг* а становится практически независимыми от приведенной скорости газа. По данным работы К1 * а линейно зависит от частоты вращения мешалки.
Включение параметра частота вращения мешалок в уравнение Кг* а является достаточно обоснованным фактом. В некоторые зависимости Кг* а вводятся такие параметры, как среднее газосодержание и время перемешивания. Необходимость установления связи Кг* а с т не вызывает сомнении, так как позволяет установить две важнейшие характеристики процесса перемешивания и массообмена.
Работ по изучению влияния на Кг* а конструктвных параметров аппаратов и режимов работы значительно меньше. В то же время этот вопрос заслуживает более пристального внимания. Связь с конструктивными и режимными параметрами может быть использована для их расчета при проектировании ферментатора. По данным исследования на неньютоновских жидкостях, которые характерны для многих процессов ферментации (биосинтез антибиотиков), установлено, что использование в ферментаторах кольцевого распределительного устройства неэффективно и увеличение Кг* а путем повышения расхода газа не экономично. Интенсивное механическое перемешивание позволяет увеличить Кг* а в 10.20 раз по сравнению со значениями в барботажных системах. Увеличение вязкости
жидкости снижает Kt* а . При исследовании массопередачи кислорода на ряде ферментаторов установлена линейная зависимость Kta от числа ярусов перемешивающего устройства. Увеличение отношения d^* D-1 в диапазоне 1/3 .1/2 при сохранении N.£ * N-1 = const приводит к снижению массопереноса.
Таблица 1 - Зависимость увеличения размеров роста клеток от продолжительности культивирования.
№ п/п Продолжительность культивирования, час Диаметр клеток
1 2 0,2
2 5 0,3
3 10 0,4
4 15 0,42
5 20 0,42
Зависимость увеличения размеров роста клеток от продолжительности культивирования
0,6 0,5
г0,4
и
ч и
а 0,3
н '
0,1 0
5 10 15 20 25 30
Продолжительность культивирования, час.
Рисунок 1 - Зависимость увеличения размеров роста клеток от продолжительности культивирования.
Перед началом опытов клетка дрожжевая имела диаметр 0,1 мкм, к концу культивирования она достигла размера 0,5 мкм. Зависимости увеличения размеров роста клеток и биомассы можно увидеть на рисунке 3 и 4.
Таблица 2 - Зависимость роста биомассы от продолжительности культивирования.
№ п/п Продолжительность культивирования, час Биомасса, мг/л.
1 2 19
2 5 25
3 10 30
4 15 35
5 20 38
Зависимость роста биомассы от
продолжительности культивирования
70 —
60
^ 50
5 40
1 30 _ н1—М——1 1 1 1= у1
о М 20 , -■-У2
10
0 1 : 1 : 1 :
0 5 10 15 20 25 30
Продолжительность культивирования, час.
Рисунок 4 - Зависимость роста биомассы от продолжительности культивирования
Заключение
Анализ рассмотренных материалов показывает, что процессы гидродинамики и массопередачи в аппаратах с мешалками и ферментаторах типа ФЖГМ широко изучаются. К настоящему времени четко выделены основные гидродинамические и массообменные параметры, характеризующие перемешивание и массообмен. Однако у исследователей нет единства в подходе к
их определению. Для расчета Ыд, р, К а предложены десятки уравнений, что ставит конструкторов в затруднительное положение при проектировании ферментаторов. Уравнения получены, в основном, при исследовании на моделях малого масштаба с единичной мешалкой.
Несмотря на большое количество проведенных исследовании совершенно мало данных о исследовании многовальных аппаратах и решении вопроса о переходе по скорости массообмена от модельной системы к культуральной среде. Недостаточно сведении о влиянии числа ярусов на скорость растворения кислорода, время гомогенизации и мощность на механическое перемешивание.
При производстве кормовых дрожжей важным является обеспечение максимально благоприятных условий для роста культуры и ее продуктивности. Это касается не только поддержания заданной температуры культивирования, давления, рН среды, уровня аэрации, но и, в неменьшей степени состава и свойства питательной среды. От выбора сырья для питательной среды и выбора инокулята зависит содержание полученного продукта, так как весь состав витаминов, минеральных и органических соединений переходит в культивируемый продукт в процессе микробного синтеза.
Литература
1. Баимуродов, Р. С. Шиповник - профилактическое и лечебное средство / Р. С. Баимуродов, И. Д. Кароматов, А. У. Нурбобоев // Биология и интегративная медицина. - 2017. - № 10. - С. 87-105. - БЭК УКУ7УУ.
2. Бузмаков В.В. Производство кормового растительного белка/ В.В. Бузмаков, Ш.А. Москаев.- М.: ФГОУ РОС АКО АПК - 2006, 379с.
3. Ефремова, Т. А. Камыш: вред или благо? / Т. А. Ефремова, С. В. Пыркин // Современная наука: теоретический и практический взгляд : материалы VII Международной научно-практической конференции, Краснодар, 19 апреля 2017 года. - Краснодар: Издательство "Перо", 2017. - С. 192-197. - БЭК УОБИУ.
4. Кокиева, Г. Е. Исследование гидродинамики и массообмена в производстве кормового белка / Г. Е. Кокиева // Ларионовские чтения-2022 : сборник научно-исследовательских работ по итогам научно-практической
конференции, Якутск, 18 февраля 2022 года. Том 2. - Якутск: СевероВосточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 2022. - С. 98111. - EDN QWCGZL.
5. Кокиева, Г. Е. Исследование технологии создания высокопродуктивных штаммов кормового белка / Г. Е. Кокиева // Ларионовские чтения-2022 : сборник научно-исследовательских работ по итогам научно-практической конференции, Якутск, 18 февраля 2022 года. Том 3. - Якутск: СевероВосточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 2022. - С. 4-21. - EDN ITFKQW.
6. Комов, В.П. Биохимия: учеб. для вузов / В.П. Комов, В.Н. Шведова. - 2-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2006. - 638 с.
7. Патент № 2728253 C1 Российская Федерация, МПК A23K 10/12. Способ приготовления кормовых дрожжей : №2 2019134121 : заявл. 23.10.2019 : опубл. 28.07.2020 / Г. Е. Кокиева ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Якутская государственная сельскохозяйственная академия". - EDN KMAANM.
8. Троц, В. Б. Пути решения проблемы кормового белка в посевах подсолнечника на силос / В. Б. Троц // Достижения науки и техники АПК. - 2007. - № 1. - С. 46-47. - EDN IRGJBN.
9. Юлдашев А., Абдурахманов Н.Ю., Мансуров Ш. и др. // Свойства и плодородие луговых и лугово-сазовых почв, сформированных на конуса выноса реки Нарин. Мат. Республиканской научно-практической конференции. Ташкент, 2014. С. 58-61.
10. Якимович, Н. Н. К решению проблемы пищевого и кормового белка / Н. Н. Якимович, И. Б. Измайлович // Животноводство и ветеринарная медицина. -2017. - № 4. - С. 38-43. - EDN VTUJQL.
References
1. Baimurodov, R. S. Rosehip - a preventive and curative remedy / R. S. Baimurodov, I. D. Karomatov, A. U. Nurboyev // Biology and integrative medicine. - 2017. - No. 10. - pp. 87-105. - EDN YKVZVV.
2. Buzmakov V.V. Production of feed vegetable protein/ V.V. Buzmakov, Sh.A. Moskaev.- M.: FGOU ROS AKO APK - 2006, 379c.
3. Efremova, T. A. Kamysh: harm or good? / T. A. Efremova, S. V. Pyrkin // Modern science: theoretical and practical view : materials of the VII International Scientific and Practical Conference, Krasnodar, April 19, 2017. - Krasnodar: Publishing house "Pero", 2017. - pp. 192-197. - EDN YQFKIV.
4. Kokieva, G. E. Investigation of hydrodynamics and mass transfer in the production of feed protein / G. E. Kokieva // Larionov readings-2022 : collection of research papers based on the results of a scientific and practical conference, Yakutsk, February 18, 2022. Volume 2. - Yakutsk: Northeastern Federal University named after M.K. Ammosov, 2022. - pp. 98-111. - EDN QWCGZL.
5. Kokieva, G. E. Research into the technology of creating highly productive strains of feed protein / G. E. Kokieva // Larionov readings-2022 : a collection of research papers based on the results of a scientific and practical conference, Yakutsk, February 18, 2022. Volume 3. - Yakutsk: Northeastern Federal University named after M.K. Ammosov, 2022. - pp. 4-21. - EDN ITFKQW.
6. Komov, V.P. Biochemistry: studies. for universities / V.P. Komov, V.N. Shvedova. - 2nd ed., ispr. - M.: Bustard, 2006. - 638 p
7. Patent No. 2728253 C1 Russian Federation, IPC A23K 10/12. Method of preparation of feed yeast : No. 2019134121 : application 23.10.2019 : publ. 28.07.2020 / G. E. Kokieva ; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Yakutsk State Agricultural Academy". - EDN KMAANM.
8. Trots, V. B. Ways to solve the problem of feed protein in sunflower crops for silage / V. B. Trots // Achievements of science and technology of the agro-industrial complex. - 2007. - No. 1. - pp. 46-47. - EDN IRGJBN.
9. Yuldashev A., Abdurakhmanov N.Yu., Mansurov Sh. and others . // Properties and fertility of meadow and meadow-saz soils formed on the cone of the Narin river outflow. Mat. Republican scientific and practical conference. Tashkent, 2014. pp. 58-61.
10. Yakimovich, N. N. To solve the problem of food and feed protein / N. N. Yakimovich, I. B. Izmailovich // Animal husbandry and veterinary medicine. - 2017. - No. 4. - pp. 38-43. - EDN VTUJQL.
© Кокиева Г.Е., 2024 Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2024.
Для цитирования: Кокиева Г.Е. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕЛКОВО-ВИТАМИННОГО КОНЦЕНТРАТА// Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №8/2024.
