22.4. Дрожжевые и дрожжерастильные аппараты

В дрожжевых аппаратах (рис. 22.11) производят периодичное культивирование дрожжей в спиртовом производстве. Это геометрически закрытый цилиндроконический аппарат, снабженный двумя змеевиками 1: один – для стерилизации среды паром, второй – для охлаждения среды и поддержания постоянной температуры при размешивании дрожжей. В аппарате размещена мешалка 2, которая может быть с верхним или боковым приводом.

Суть способа периодического культивирования состоит в том, что все операции – подготовка сусла, ввод посевных дрожжей, выращивание, ввод дрожжей, промывка стенок и их стерилизация, охлаждение и повторение наполнения – осуществляют последовательно.

Рис. 22.11. Принципиальная схема дрожжевого аппарата Рис. 22.12. Принципиальная схема дрожжевого

аппарата с воздушным перемешиванием

Перемешивание дрожжевой массы может быть осуществлено также сжатым воздухом, подаваемым через барботер. Воздух предварительно должен быть очищен в биологическом фильтре. Расход воздуха составляет 0,4...1 м³ на 1 м² свободной поверхности жидкости в аппарате в минуту. Дрожжевой аппарат с воздушным перемешиванием изображен на рис. 22.12. При перемешивании мешалкой электродвигателя принимают расход мощности из расчета 1 кВт на 1 м³ дрожжевой массы.

Дрожжевые аппараты изготовляют из стали толщиной 5...6 мм. Расчет поверхности охлаждения змеевика аналогичен расчету змеевика бродильного аппарата. Площадь поверхности змеевика для воды принимают из расчета 2 м² на 1 м³ полезной емкости аппарата; площадь поверхности парового змеевика – 0,8 м² на 1 м³ полезной вместимости аппарата.

Вместимость дрожжевого аппарата составляет – 6...8 % объема бродильного аппарата, коэффициент наполнения 0,8.

Дрожжерастильные аппараты предназначены для размножения дрожжей в производстве хлебопекарных дрожжей при сохранении их подъемной силы. Процесс выращивания дрожжей длится 20...36 ч, выход их составляет 70... 85 % количества мелассы. В дрожжевом производстве стремятся погасить брожение и активизировать размножение дрожжей. Поэтому в современном дрожжерастильном аппарате должны обеспечиваться: значительное разбавление дрожжевой суспензии (до 25 м³ на 1 т мелассы), хорошая аэрация (до 100 м³/ч воздуха на 1 м³ объема аппарата), строго определенная концентрация питательных веществ во время размножения дрожжей и определенная температура.

Техническая характеристика дрожжерастильных аппаратов приведена в табл. 22.5.

Дрожжерастильный аппарат ВДА-100 (рис. 22.13) представляет собой сварной цилиндрический резервуар с охлаждающей рубашкой и пластинчатой аэрационной системой для насыщения суспензии кислородом во время размножения дрожжей. Резервуар 1 установлен на балках 14 и стойках 15 и имеет охлаждающую рубашку 20 из десяти секций (поясов). Аппарат снабжен люками 18 и 21 для обслуживания и ремонта, смотровым окном 2, осветлителем 3, гидрозатвором 11, воздухоподводящей трубой 17, коробами 13 аэрационной системы, соплами 16 для промывания коробов, коллектором 19 для подачи воды в секции охлаждающей рубашки и коллектором 12 для вывода воды из охлаждающей рубашки. На крышке аппарата установлена вытяжная труба 7, которая перекрывается заслонкой 10. Заслонка с помощью муфты 4 соединена со штоком 9, несущим поршень, движущийся в цилиндре 8 при помощи гидравлического привода, снабженного четырехходовым краном 5. По шлангу 6 поступает вода для промывания. Подачу воздуха регулируют задвижкой 22 через распределительный коллектор 23. Культуральная среда выводится по трубе 24. За уровнем жидкости в аппарате наблюдают через мерное стекло 25.

Таблица 22.5. Техническая характеристика дрожжерастильных аппаратов

Показатель	ВДА-100	«Пресс-индустрия»	ПНР-200
Производительность, кг/ч	472	200	1680
Рабочий объем, м3	70	75	140
Вместимость, м3	100	110	200
Коэффициент массопередачи кислорода, кг/(м3ч)	1,93	2,5	2,57
Удельный расход воздуха, м3/ (мч)	100	60	61.5

Рис. 22.13. Дрожжерастильный аппарат ВДА-100

Пластинчатая аэрационная система ВДА включает распределительный коллектор и короба, закрытые сверху перфорированными пластинами с отверстиями диаметром 0,5 мм. В некоторых аппаратах смонтированы трубчатые системы аэрации конструкции ЦРММ. Они состоят из перфорированных трубок диаметром 51 мм, расположенных на днище аппарата на определенном расстоянии. В поперечном сечении трубки имеют 7 рядов отверстий диаметром 0,8...0,9 мм, расположенных через 15°, с шагом 5 мм. Трубки соединены с воздухораспределительным коллектором.

Аппарат итальянской фирмы «Пресс-индустрия» (рис. 22.14) предназначен для выращивания дрожжей в концентрированных средах. Дрожжерастильный аппарат (рис. 22.14, а) установлен на опорной раме 14 и в нижней части содержит штуцеры для подачи сжатого воздуха 12, для вывода продукта 13, а также люк 1. Охлажденное дрожжевое сусло подается через штуцер 11, установленный в средней части аппарата. Здесь же находится патрубок 2 для установки датчиков температуры и рН. На верхней крышке аппарата размещены люк 3 и смотровое окно 10, а также патрубок 4 для установки датчиков регулятора и сигнализатора уровня и штуцеры: для подачи аммиачной воды 5, для подачи олеиновой кислоты 6, для крепления моечной головки 7, для подачи засевных дрожжей 8 и для подачи питательной среды, воды, пара, растворов диаммонийфосфата и серной кислоты 9.

Рис. 22.14. Дрожжерастильный аппарат фирмы "Пресс-индустрия"

Аппарат оснащен трубчатой аэрационной системой (рис. 22.14, б), перфорированные трубки 2 которой крепятся к коллектору 3, соединенному с трубопроводом 1. Перфорированные трубки с помощью резьбы соединены с коллектором (лежаком), диаметром 250 мм, на расстоянии 125 мм. С одной стороны коллектора расположено 25 трубок диаметром 40 мм, в которых отверстия диаметром 1,5 мм обращены вниз и расположены в три ряда через 30° (в поперечном сечении). Расположение отверстий в коллекторе и в барботажных трубках представлено на рис. 21.12, в и г. В коллекторе также имеются отверстия диаметром 1,5 мм для выхода воздуха, обращенные вниз с шагом по длине коллектора 50 мм. По поперечному сечению расположено пять рядов отверстий через 23°30. Такое расположение отверстий исключает застой жидкости в системе аэрации и создает удобства для ее мойки. Культуральная среда охлаждается при прохождении через выносной пластинчатый теплообменник с поверхностью теплообмена 100 м² с помощью насоса.

Инженерные расчеты. Стерилизация дрожжевой массы осуществляется путем нагревания ее с t₁ = 50 до t₂ =85 °С в течение 30 мин. Количество теплоты, затрачиваемой на стерилизацию дрожжевого затора, Q (кДж) равно

,

где 1,05 – коэффициент, учитывающий потери теплоты дрожжевым аппаратом в окружающую среду; V_з – объем дрожжевого затора в аппарате, м³;  – плотность затора ( = 1087 кг/м³); с – теплоемкость затора, кДж/(кгК).

Потребная масса пара на стерилизацию D (кг)

,

где i_п – удельная энтальпия пара, кДж/кг; i_к – удельная энтальпия конденсата пара, кДж/кг.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке стального змеевика ₁ [Вт/(м²К)]

,

где  – коэффициент теплопроводности пара, Вт/(мК); коэффициент принимается при средней температуре пленки конденсата t_пл = (t_п + t_ст)/2;  – плотность пленки конденсата при t_пл, кг/м³;  – динамическая вязкость, Пас; r – теплота конденсации пара (при р = 0,3 Па, r = 2140 кДж/кг); d – внутренний диаметр трубки змеевика, м; t_п – температура насыщенного пара (давление пара для стерилизации р = 0,3 Па, при этом условии t_п = 142,9 °С); t_ст – температура стенки змеевика, на которой конденсируется пар (принимаем эту температуру на 5 °С ниже температуры пара).

Коэффициент теплоотдачи от стенки змеевика к дрожжевому затору ₂ [Вт/(м²К)]

.

При перемешивании затора в аппарате мешалкой

Re = nd²/.

Подставляя значения Re и Pr, получаем

,

где  – коэффициент теплопроводности дрожжевого затора, Вт/(мК); D – диаметр дрожжевого аппарата, м; n – частота вращения мешалки, с^–1; d – диаметр лопасти мешалки, м;  – плотность дрожжевого затора, кг/м³;  – динамическая вязкость, Пас; с – теплоемкость дрожжевого затора, кДж/(кгК); g – ускорение свободного падения, м/с².

По найденным значениям ₁ и ₂ находят коэффициент теплопередачи.

Для расчета площади поверхности нагревания определяют тепловую нагрузку за один час Ф_ч (кДж/ч)

Ф_ч = Q60/,

где Q – потребное количество теплоты за весь цикл работы теплообменников, кДж;  – продолжительность стерилизации, мин.

Количество теплоты, отводимой от сбраживаемой питательной среды, и расход охлаждающей воды дрожжерастильного аппарата определяют из теплового баланса.