2. Системы автоматизации процессов приготовление питательны! сред

Задами автоматического управления процессом приготовления питательных сред вытекают из места и роли этого отделения в общем комплексе биотехнологического производства. Как показы­вает технико-экономический анализ, основной составляющей пере­менной части себестоимости таких продуктов биотехнологии, как хлебопекарные дрожжи, пиво, спирт н др.. является стоимость сырья.

Затраты сырья на единицу продукции зависят от эффек­тивности процессов на всех стадиях, в том числе в отделении приготовления питательных сред.

Влияние этого отделения проявляется в том* что если пита­тельная среда не сбалансирована по составу, то компоненты, введенные в нее в избытке, теряются с отходами производства. Кроме того, если часть веществ находится в питательной среде в форме, которая недоступна для усвоения микроорганизмами, она также попадает в отходы.

Существенный источник потерь связан с наличием в питатель­ной среде посторонних микроорганизмов, попадание которых в ферментатор приводит к нестерильносгн процесса культивиро­вания. В одних случаях, например при биосинтезе амилолнтм- ческнх ферментов, это может значительно снизить выход целе­вого продукта и даже стать причиной брака, в других, например при производстве хлебопекарных дрожжей, снижает качество целевого продукта. Потери могут возникнуть из-за несвоевре­менного приготовления питательной среды, что приводит к про­стою оборудования в отделении ферментации.

Таким образом, основными задачами автоматического управ­ления процессом приготовления питательных сред являются обес­печение сбалансированности среды, т. е. заданного ее состава; приготовление питательной среды в количестве, определяемом потребностями отделения ферментации; обеспечение стерильнос­ти питательной среды.

Основными компонентами питательной среды являются ве­щества, которые обеспечивают биосинтез углеродом. В нишевой биотехнологии роль источников углерода выполняют природные сахара (глюкоза, фруктоза, сахароза и др.). которые содержатся в мелассе или образуются при гидролизе крахмала сельскохозяй­ственного сырья (зерна, картофеля и др.). В состав питательной среды входит минеральные соли как источники азота, фосфора и других элементов, а также биологически активные вещества (кукурузный экстракт, дестиобиотин и др.).

Технология приготовления питательных сред из мелассы и крахмалистого сырья существенно различается и рассматривает­ся отдельно. По способу выполнения процессы приготовления питательных сред делятся на периодические и непрерывные.

129

5 • Артоыжтик* и «втоыжпиаиия

Приготовление питательных сред из мелассы. Меласса явля ется основным сырьем в производстве хлебопекарных дрожжей, лимонной кислоты н других пищевых продуктов. Приготовление питательной среды на основе мелассы включает следующие опе­рации: разбавление мелассы водой, очистка от механических примесей и коллоидов (осветление) и стерилизация мелассного раствора.

На рис. 10.2 представлена упрощенная технологическая схе­ма, совмещенная со схемой автоматизации периодического про­цесса приготовления питательной среды в производстве хлебо­пекарных дрожжей. Сырая меласса из напорных баков самоте­ком поступает в дозирующий бачок /, где регулятором / под­держивается постоянный уровень. Далее меласса с постоянным расходом дозируется в приемную воронку смесителя //. куда подаются также горячая вода и серная кислота. Расходом горя­чей воды управляет регулятор 2 в зависимости от концентрации сахара в растворе мелассы, которая измеряется в потоке смеси­теля автоматическим рефрактометром. Расходом серной кислоты управляет регулятор 3 в зависимости от значения pH, которое измеряется автоматическим pH-метром в потоке раствора мелас­сы после смесителя. Уровень в смесителе поддерживает регу­лятор 4.

Из промежуточного сборника /// раствор мелассы подается насосом либо в стерилизатор IV (при горячем способе приготов­ления), либо, минуя его, в кларнфикатор V. Стерилизатор имеет три секции: паровой стерилизации, выдержки и охлаждения. Температура мелассного раствора на выходе первой секции регу­лируется расходом пара (регулятор 5), а на выходе третьей сек­ции — расходом охлаждающей воды (регулятор 6').

После очистки в (тарификаторе V осветленный раствор ме­лассы направляется в сборник VI, где контролируется уровень с помощью сигнализатора 7. Если раствор хранится в сборнике прн повышенной температуре, то перед подачей в дрожжерасти- льный аппарат он охлаждаете в теплообменнике VII. Темпе-

Риг. 10.2. Функциональная схема автоматизации периодического процесса приготовления питательной среды в производстве хлебопекарных дрожжей

ратура раствора на выходе теrwiообменника ретуширует­ся расходом охлаждающей воды с помощью регулятора Н. а его давление — регуля­торам 9.

Пис 10.3. Функциональна» схема антома пешими непрсрыпипго процесса приготов­лении питательной среды п цроннюдстве лимонной кислоты

Схема автоматизации

установки непрерывного

действия для приготовления питательной среды на основе мелассы в производстве ли­монной кислоты представ­лена на рис. 10.3. Меласса из расходной емкости / и раствор питательных солен нз сборника III дозируются насосаМи-дозаторамн II в определен­ном соотношении в смеситель IV, куда также подается теплая вода. Расход воды стабилизируется регулятором расхода / и корректируется в зависимости от плотности готовой питатель­ной среды на выходе установки регулятором плотности 2.

Из смесители питательная смесь поступает в стерилизацион­ную колонку Р, где нагревается острим паром до температуры 140 °С. Расход пара на стерилизацию регулируется регулятором 3 в зависимости от температуры смеси на выходе из колонки. Из выдерживателя VI смесь поступает в теплообменник-реку­ператор VII, где она предварительно охлаждается водой, на­правляемой затем в смеситель на разбавление мелассы. Окон нательное охлаждение питательной среды до заданной темпера­туры производится в теплообменнике VIII, расход воды В кото­рый регулируется в зависимости от температуры среды на его выходе регулятором 4.

Приготовление питательных сред из крахмалистого сырья. В качестве крахмалистого сырья в пищевой биотехнологии ис­пользуются зернопродукты и сочное сырье (картофель н другие овощи), а также отходы нх переработки. Основной задачей управления процессом приготовления питательной среды нз крах­малистого сырья является обеспечение максимальной степени извлечения питательных веществ нз сырья с переводом нх в формы, доступные для потребления микроорганизмами. Для извлечения крахмала исходное сырье подвергается измельчению и тепловой обработке, после чего выполняется ферментативный гидролиз экстрагированного крахмала с образованием сахаров. Аппаратурная реалнзаиин процесса и задачи управления зависят от способа выполнения — периодического или непрерывного.

Примером периодического процесса приготовления питатель мой среды с использованием ферментов солода для осахарива- ння крахмала зерна может служить производство пивного сусла. Основной стадией здесь является осахариванне затора (смеси

дробленого солода и ячменя с водой), которое производится в двух заторных аппаратах по отварочному способу. В первый ап­парат заливают воду, нагретую до 45 °С, из расчета 3—4 м^л на 1 т сырья, затем включают мешалку и загружают 3 т смеси соло­да с ячменем. Программа варки сусла предусматривает последо­вательный нагрев затора с постоянной скоростью сначала до 52 °С и выдержку при этой температуре в течение 25 мин (белко­вая пауза), затем до 62 °С и выдержку 30 мин (мальтозная пау­за), наконец, до 70 °С и выдержку 40 мин (декстринная пауза).

После этого отстоявшуюся жидкую часть затора сливают во второй аппарат, а густой остаток нагревают до кипения и кипятят в течение 30 мин. Густой остаток затем сливают во второй заторный аппарат, смешивают с перелитой ранее жидкой частью и выдерживают весь затор прн температуре 76 °С в тече­ние 15—20 мин до полного осахаривания.

Таким образом, процесс варки заключается в последователь­ном выполнении однотипных операций: нагрев затора до опре­деленной температуры с заданной скоростью и выдержка в тече­ние определенного времени при этой температуре. Основной за­дачей автоматизации этого процесса является программное регулирование температуры в заторных аппаратах, а также дис­танционное или автоматическое управление дозированием жид­ких и сыпучих компонентов и транспортными операциями.

Датчиком системы программного управления температурным режимом варки является термопреобразователь сопротивления, подключенный к электронному регулятору. На каждом из этапов варки к регулятору подключают один из задатчиков, настроенных на определенную температуру. Если температура в аппарате ни­же заданной, регулятор формирует команду на открытие регу­лирующего клапана, установленного на трубопроводе подачи пара в рубашку заторного аппарата. Прн достижении температу­рой заданного значения подача пара прекращается и включается одно из реле времени, настройка которого определяет продол­жительность выдержки затора при данной температуре. По окон­чания выдержки реле времени подает команду на подключение к регулятору очередного задатчика в соответствии с программой варки. Автоматический контроль и регистрация температуры производятся электронным мостом.

Примером непрерывного процесса приготовления питательной среды на основе крахмалистого сырья может служить стадия приготовления сусла в спиртовом производстве, система автомш тизацни которой рассматривается ниже.