Описание установки.

Установка состоит из двух прозрачных цилиндров, вставленных один в другой, заполненных дистиллированной водой. Во внутреннем цилиндре находятся разноцветные шарики (рис.3).

Рис. Схема установки.

1 – колонка, 2 – компрессор, 3 – шарик,

4 – воздухораспределитель.

В нижнюю часть внутреннего цилиндра подается газ, нагнетаемый компрессором. Скорость газа соответствует или превышает скорость износа шарообразных частиц.

Достигнув верхнего уровня внутреннего цилиндра, шарики попадают в кольцевой объем, образуемый внутренним и внешним цилиндрами. В этом кольцевом объеме происходит осаждение частиц. С целью снижения скорости осаждения. Между внутренним и внешним цилиндрами расположение спиралевидная перегородка, по которой, осаждаясь, скользят шарики.

Опустившиеся на дно шарики подхватываются потоком воздуха и вновь уносятся вверх во внутреннем цилиндре.

Расчет скорости начала псевдоожижения и уноса. Пример расчета.

Определить скорость начала псевдоожижения и уноса шарообразных частиц в газовой и водной среде, если размер частиц мм, плотность , температура воздуха , динамическая вязкость воздуха .

Решение.

Определяем плотность воздуха при температуре 20⁰С

Определяем критерий Архимеда

По формуле (4) и (5) соответственно определяем скорость начала псевдоожижения и уноса частиц

м/с

м/с

Для сравнения определим скорость начала псевдоожижения и уноса шариков в жидкой среде

м/с

Скорость уноса

м/с

Выводы: Дать объяснение, почему скорости начала псевдоожижения и уноса в газовой и жидкой средах так сильно различаются.

Вопросы для самопроверки.

1. Какое состояние зернистого материала называют псевдоожиженным?

2. Проанализируйте зависимость .

3. Какие явления характерны для слоя зернистого материала при скорости воздуха, равной скорости начала псевдоожижения, скорости уноса?

4. Чем реальные кривые псевдоожижения отличаются от идеальной кривой?

Лабораторная работа № 4. «Изучение работы аэрлифтного

ферментатора».

Цель работы.

1. Ознакомление с работой аэрлифтного ферментатора.

2. Расчет скорости уноса твердых частиц.

Теоретическая часть.

Биохимическими процессами называют процессы направленной жизнедеятельности микроорганизмов, скорость которых определяется приростом биомассы либо продуктов их метаболизма.

Биохимические процессы занимают значительное место в пищевой технологии.

В пищевой промышленности микроорганизмы используют в хлебопекарном производстве при брожении теста, в бродильных производствах (виноделие, пивоварение, производств пищевого спирта, лимонной, молочной и уксусной кислот, дрожжей), в консервировании, а также при переработке сельскохозяйственного сырья. Производство дрожжей связано с получением больших количеств биомассы. Для получения дрожжей, а также ряда органических кислот используют метод глубинной ферментации микроорганизмов в кислой среде. При этом не требуется высокой степени асептики, так как возможность развития посторонней микрофлоры мала.

Синтез проводят в аэрлифтных аппаратах или аппаратах с мешалками непрерывного и периодического действия, которые называются ферментаторами. Целевой продукт выделяют из культуральной жидкости путем фильтрования, сепарирования, экстракции, выпаривания и сушки.

Анализ и расчет ферментаторов основывается на информации о микрокинетике процесса ферментации, который включает кинетику роста биомассы в зависимости от концентрации компонентов субстрата и др. параметров, а также на изучении закономерностей массо- теплообмена.

Все биотехнологические процессы можно систематизировать в несколько групп:

- культивирование, целью которого является получение биомассы микроорганизмов или ее компонентов (производство хлебопекарных дрожжей, кормовых дрожжей и др);

- биосинтез продуктов метаболизма (производство пищевого спирта, уксусной и лимонной кислот, аминокислот, антибиотиков и др);

- избирательная утилизация некоторых веществ из смесей (например, депарафинизация нефти, очистка сточных вод и др);

- процессы, в которых микроорганизмы играют роль биокатализаторов (например, в производстве гормональных препаратов).

Технологическая схема производства состоит из приготовления посевного материала в стерильных условиях, приготовления и стерилизации питательных сред, ферментации, выделения и сушки продукта.

Для описания кинетики роста микроорганизмов используют общую и удельную скорости роста. Общая скорость биомассы микроорганизмов (в кг/ (м^{3 .}ч)) представляет собой отношение прироста биомассы за бесконечно малый промежуток времени . Эта скорость пропорциональна концентрации биомассы.

Кинетика роста биомассы микроорганизмов описывается уравнением

, ( 1 )

где: – концентрация биомассы, кг/м³ ;

– продолжительность процесса, ч;

– удельная скорость роста биомассы, ч^-1.

Из уравнения (1) удельная скорость

( 2 )

В экспоненциальной фазе удельная скорость роста биомассы микроорганизмов постоянна и равна максимально возможной для данной культуры и условий проведения процесса.

Концентрация биомассы согласно уравнению (1) возрастает по экспоненциальному закону.

, ( 3 )

где: – концентрация биомассы в начале экспоненциальной фазы,

кг/м³.

Следует отметить, что это уравнение, предложенное еще Мальтусом, справедливо при отсутствии дефицита питательных веществ, а также в условиях эффективной гидродинамической обстановки, обеспечивающей максимальную скорость массопереноса кислорода из пузырьков воздуха к клеткам. При этом предполагается бесконечный рост клеток.

В действительности рост клеток затормаживается из-за истощения питательных веществ, выделения продуктов метаболизма и взаимного влияния микроорганизмов при возрастании их концентрации.

Прологарифмировав уравнение (2), получим

( 4 )

В полулогарифмических координатах уравнение (4) представляет собой прямую линию с тангенсом угла наклона, пропорциональным удельной скорости роста К.

Для расчета удельной скорости роста, определяют значения и для двух точек, соответствующих продолжительности процесса и .

Тогда

( 5 )

Продолжительность регенерации , за которую количество биомассы увеличится в два раза

( 6 )

В качестве сырья в микробиологическом синтезе используют отходы крахмало-паточного производства (меласса, гидрол), гидролизаторы торфа и питательных отходов, молочную сыворотку, кукурузную муку, углеводороды переработки нефти.

Для роста популяции аэробных микроорганизмов требуется кислород, который окисляет органические субстраты и обеспечивает клетки энергией. Кислород плохо растворяется в воде, и его концентрация в воде составляет 8,1 мг/л. Поэтому для обеспечения процесса ферментации необходима непрерывная аэрация ферментационной жидкости воздухом.

При аэрации происходит два процесса: абсорбция кислорода ферментационной жидкостью из пузырьков воздуха и усвоение растворенного в жидкости кислорода клетками микроорганизмов.

Для жидкой фазы уравнение массоотдачи запишется в виде

, ( 7 )

где – концентрация кислорода, кг; – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/ч; – равновесные концентрации кислорода, кг/м³; – рабочая концентрация кислорода в жидкой фазе, кг/м³; – площадь поверхности массоотдачи, м²; – продолжительность процесса, ч.

Транспорт кислорода из ферментационной жидкости к клетке через пограничный слой происходит молекулярной диффузией.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определяется по критериальным уравнениям типа

( 8 )

При проведении ферментации основным специфическим аппаратом является ферментатор.

На рис.1 показан аэрлифтный дрожжерастительный аппарат, который

Рис. 1. Схема аэрлифтного ферментатора.

1 – диффузор, 2 - теплообменник, 3 – газораспределитель.

представляет собой вертикальную цилиндрическую емкость. В емкости по оси расположен диффузор. Воздух подается в аппарат по трубе, расположенной по оси аппарата, и диспергируется в жидкость через кольцевую щель. При подаче воздуха в аппарате возникает направленная циркуляция ферментационной жидкости, за счет которой жидкость перемешивается. Образующаяся пена гасится поверхностно-активными добавками.

Отчет должен содержать: цель работы, теорию процесса, схему и описание установки, расчет скоростей начала псевдоожижения, скорости уноса шариков, имитирующих частицы дрожжей.

Установка состоит их двух прозрачных цилиндров, вставленных один в другой, заполненных дистиллированной водой. Во внутреннем цилиндре находятся разноцветные шарики (рис.2).

Рис. 2. Схема установки.

1 – колонка, 2 – компрессор, 3 – шарик,

4 – воздухораспределитель.

В нижнюю часть внутреннего цилиндра подается газ, нагнетаемый компрессором. Скорость газа соответствует или превышает скорость уноса шарообразных частиц.

Достигнув верхнего уровня внутреннего цилиндра, шарики попадают в кольцевой объем, образуемый внутренним и внешним цилиндрами. В этом кольцевом объеме происходит осаждение частиц. С целью снижения скорости осаждения между внутренним и внешним цилиндрами расположена спиралевидная перегородка, по которой, осаждаясь, скользят шарики.

Опустившиеся на дно шарики подхватываются потоком воздуха и вновь уносятся вверх во внутреннем цилиндре.