Введение к работе
Актуальность работы. В ряде отраслей промышленности таких, как нищеная, биотехнологическая, химическая, целлюлозно-букажная и некоторых других, многие процессы связаны с переработкой а аэрированием жидкостей, содержащих поЕерхностно-актиЕНые вещества (ПАВ) и протекают с образованием стойких пен.
Чрезмерное вспенивание ограничивает полезный обт ч аппарата, а унос жидкости с пеной из него приводит к нарушению нормального ведения технологического процесса и потере денных продуктов.
Стабилизация уровня пены становится особо актуальной проблемой в процессах культивирования аэробных микроорганизмов, которые находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности таких, как производство уксусной и лимонной кислоты, антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов. Метод культивирования используется при получении пищевого белка, кормовых а хлебопекарных дрожжей, шампанских вин, пива и т.д.
Развитие данных отраслей промышленности связано с разработкой а внедрением новых высокоэффективных технологий и оборудования, производительность которого лимитируется з основном скорость» переноса кислорода к клеткам микроорганизмов. В этой связи, повышение эффективности ферментационных еппаратов, в которых происходит культивирование викрооргакизмоЕ, может быть достигнуто за счет интенсификации' протекающих в них гаэожидкостяых процессоЕ, что, в овою очередь, позволит повысить концентрацию биомассы-з культуральней среде и увеличить ее выход с единицы объема аппарата.
Существующие- в настоящее время ферментационные аппараты нз позволяют интенсифицировать массоосмен без существенного увеличения энергозатрат на барботирование воздуха и перзкеиивание среда. Предложенные в последние годы конструкции козухотрубных струЯно-инзсек-ционных аппаратов СКСИА) лишены этих недостатков и обладают чрезвычайно высокими мессообменными характеристиками.
Интенсификация массообменных процессов", как в традиционных ферментерах, так и в новых аппаратах, приводит к повышенном:/ образованию пены. Для предотвращения .выбрасывания ее из аппарата применяют различные способы: химические, физические, механические а комбинированные, из которых наиболее распространенны!,! является химический. Так например, в дрожжевой промышленности традиционно используют олеиновую кислоту (О К ).
Однако при использовании струйно-инкекпионных ферментеров для культивирования микроорганизмов было установлено, что далее ничтожное количество ОК, при попадании в аэрируемую среду, снижает подачу в нее воздуха, что является косвенным свидетельством ее отрицательного воздействия на протекающие в аппарате мзесообмешше процессы. '
В этой связи, бшш сформулированы цель и задачи данной научно-исследовательской работы.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка нового типа пеногасителя с фонтанирующим слоем твердых тел, позволяющего, за счет утилизации энергии отходящих из аппарата газов, снизить количество ОК подаваемой для стабилизации уровня пени и интенсифицировать за счет этого процесс культивирования микроорганизмов; исследование влияния химического пеногасителя,- олеиновой кислоты,- на массообменнне характеристики процессов протекающих при культивировании микроорганизмов в ферментационных аппаратах на примере КСИА; создание научно-обоснованной методики расчета предлагаемого пеногасителя.
На экспериментальной установке КСИА в модельной среде изучить Елияние ОК на основные характеристики маесообмеиного процесса: удельную поверхность контакта фаз (УЇЖФ) и объемный коэффициент массоотдачи (ОКМ).
На экспериментальной модели предлагаемого пеногасителя изучить влияние параметров слоя ТЕерддх тел, - высоты слоя, плотности и диаметра входящих в него частиц, - при различных скоростях псевдо-ожмжающего газа на стабилизацию уровня пены в аппарате; оценить гидравлическое сопротивление слоя твердых тел в пеногасителе и затрачиваемую на создание фонтанирующего слоя мощность; определить параметры фонтанирующего слоя твердых тел, создающего предельное гидравлическое сопротивление при котором обеспечивается минимально допустимая инжектирующая способность КСИА позволяющая клеткам микроорганизмов получать достаточное для их роста количество кислорода; выяснить влияние снижения! потребления ОК на характеристики процесса культивирования и выход продукта.
Методы исследования. При решении поставленных задач были проведены теоретические и экспериментальные исследования, а также мате-
*) Прохорчик й.П. Интенсификация процесса'ішкекции воздуха свободней струями жидкости в кожухотрубном струйно-инжек'циоином аппарате. Лис. ... канд.техн.наук. -JI.: ЛТИЛЛ, IS89, -125 а.
математическое моделирование с применением ЭВМ. Эксперименты проводили в лабораторных условиях.
Научная новизна. В работе решены следующие вопросы: на модельной среде установлены зависимости УШФ и ОКЫ от концентрации в ней ОК; получены й экспериментально подтвёрэдены уравнения опреяелякь щие зависимость скорости нарастания пены в рабочем объеме пеногаси-толя от параметров находящегося в нем слоя твердых частиц и скорости псевдоожияающего газа; уточнено уравнение расчета сопротивления создаваемого трехфазным фонтанирующим слоем (ТФС) (твердые частицы, жидкость и газ) возникающим в предлагаемом поиогаоктеле при прохождении через него пены; определены параметры ГФС создавдего предельнее гидравлическое сопротивление при котором обеспечивается максимально допустимая инжектирующая способность КСИА позволяющая клеткам микроорганизмов получать достаточное для их развития количество кислорода; установлено влияние снижения потребления ОН на характеристики процесса культивирования в выход продукта.
Практическая значимость работы. Получены эмпирические зависимости, отражающие влияния ОК на массообменные характеристики, процесса культивирования и позволяющие уточнить методику расчета КСИА.
Предложена оригинальная--конструкция пеногясителя о Т4С, утилизирующего энергию отходящих из ферментера газов, позволяющего сократить в 2 + 4 раза количество ОК, потребляемое за процесс выращивания хлебопекарных дрожжей, а также увеличить их выход. Hq данную конструкцию получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства СССР а 4744651.
Разработана методика расчета пзногасителя с ТФЗ и использована при создания опытно-промышленных образцов на предприятии Райсель-корм /г. Старая Русса/ и Ленинградском дрокжеьом заводе.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладаввляоь и обсуждались на научно-технических конференциях профэсоорско-прэ-подавательского состава, научных работников, инженеров и аспирантов в СПТИХП (1989-91 г.г.), на Республиканской научно-технической конференции Гродненского сельскохозяйственного института 1990 г.
Публикации . По теме диссертации опубликовано 3 работы а получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,