Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оборудование, аппараты и приборы микробиологических производств. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева
В. А. Кожухов
Е. В. Алаудинова
Р. А. Марченко
И. А. Воронин
ОБОРУДОВАНИЕ, АППАРАТЫ И ПРИБОРЫ
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия для студентов бакалавриата
по направлениям подготовки 44.03.04 «Профессиональное обучение
(по отраслям)», направленность «Химические производства»;
19.03.01 «Биотехнология», направленность «Промышленная
биотехнология»; 18.03.01 «Химическая технология»,
направленность «Технология лесохимических производств»,
всех форм обучения
Красноярск 2017
УДК 579.66(075.8)
ББК 28.4:35я73
К589
Рецензенты:
ведущий специалист О. А. Я
КОВЕНКО
(ООО «СибАлко»);
кандидат технических наук, доцент Н. С. Р
ЕШЕТОВА
(Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева)
Кожухов, В. А.
К589 Оборудование, аппараты и приборы микробиологических произ-
водств : учеб. пособие / В. А. Кожухов, Е. В. Алаудинова, Р. А. Марченко, И. А. Воронин ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск,
2017. – 82 с.
Содержит теоретический материал для организации самостоятельной работы студентов при овладении дисциплинами «Оборудование, аппараты и приборы микробиологических производств», «Проектирование и оборудование предприятий биотехнологии», «Проектирование и оборудование предприятий химической переработки древесины».
Предназначено для студентов бакалавриата по направлениям подготовки
44.03.04 «Профессиональное обучение (по отраслям)», направленность «Химические производства»; 19.03.01 «Биотехнология», направленность «
ленная биотехнология»; 18.03.01 «Химическая технология», направленность
«Технология лесохимических производств», всех форм обучения.
Промыш-
УДК 579.66(075.8)
ББК 28.4:35я73
© СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2017
© Кожухов В. А., Алаудинова Е. В.,
Марченко Р. А., Воронин И. А., 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................................................. 4
1. Получение продуктов гидролиза .................................................... 5
1.1. Переработка растительного сырья, способы
процесса гидролиза и его основные понятия ......................... 5
1.2. Гидролизаппарат периодического действия ........................... 6
1.3. Футеровка гидролизаппарата ................................................. 10
1.4. Назначение и конструкция основных элементов
гидролизаппарата .................................................................... 13
1.5. Узлы подачи варочной кислоты и щепы в аппарат ............. 19
1.6. Способы перколяции .............................................................. 24
1.7. Вспомогательное оборудование гидролизных цехов ........... 29
Контрольные вопросы и задания .................................................. 36
2. Оборудование для подготовки питательных сред .................... 37
2.1. Испаритель .............................................................................. 37
2.2. Инвертор .................................................................................. 43
2.2. Нейтрализатор кислого гидролизата ..................................... 48
2.3. Осветлитель нейтрализата ...................................................... 53
Контрольные вопросы и задания .................................................. 58
3. Оборудование для ферментации и ректификации..................... 59
3.1. Вакуум-охладитель ................................................................. 59
3.2. Батарея ферментеров .............................................................. 61
3.3. Ректификация .......................................................................... 66
Контрольные вопросы и задания .................................................. 78
Заключение ........................................................................................... 79
Библиографический список .............................................................. 80
Приложение .......................................................................................... 81
3
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие «Оборудование, аппараты и приборы микробиологических производств» предназначено для теоретического изучения основного оборудования микробиологических производств.
Рассмотрены основные стадии процесса производства этилового
спирта из растительного сырья, а также получения дрожжей, рассмотрено основное оборудование.
Цель учебного пособия – организация самостоятельной работы
студентов при овладении дисциплинами «Оборудование, аппараты
и приборы микробиологических производств», «Проектирование и оборудование предприятий биотехнологии», «Проектирование и оборудование предприятий химической переработки древесины». Усвоение
содержания дисциплины необходимо для формирования следующих
профессиональных компетенций:
– готовность к конструированию содержания учебного материала
по общепрофессиональной и специальной подготовке рабочих, служащих и специалистов среднего звена;
– способность использовать передовые отраслевые технологии
в процессе обучения рабочей профессии (специальности);
– готовность к повышению производительности труда и качества
продукции, экономии ресурсов и безопасности.
Учебное пособие рекомендуется для студентов бакалавриата по
направлениям подготовки 44.03.04 «Профессиональное обучение (по
отраслям)», направленность «Химические производства»; 19.03.01
«Биотехнология», направленность «Промышленная биотехнология»;
18.03.01 «Химическая технология», направленность «Технология ле-
сохимических производств», всех форм обучения, а также может быть
полезно при изучении курсов «Конструирование и расчет машин и
аппаратов отрасли» «Оборудование, аппараты и приборы предприятий отрасли», «Механизация отрасли» в 6–7 семестрах.
Каждый раздел пособия обеспечен контрольными вопросами
и заданиями. Начинать изучение материала пособия рекомендуется
с ознакомления с перечнем ключевых слов (см. приложение).
4
1. ПОЛУЧЕНИЕ ПРОДУКТОВ ГИДРОЛИЗА
1.1. ПЕРЕРАБОТКА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ, СПОСОБЫ
ПРОЦЕССА ГИДРОЛИЗА И ЕГО ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Производство этилового спирта из растительного сырья подразделяют:
– на производство этилового спирта из крахмалосодержащего
сырья (картофель, зерно, патока);
– производство этилового спирта из сахаросодержащего сырья –
отходы сахарного производства, сахарный тростник.
В первом случае сначала осуществляется ферментативный гидролиз крахмала за счет ферментов солода с образованием сахаров,
а затем сбраживание сахаров под действием ферментов дрожжей.
Во втором случае имеет место более короткий процесс – сбраживание сахаров.
Ректификованный спирт из пищевого сырья содержит: этилового
спирта – 95…96 %; эфиров и альдегидов – 3,0…3,5 %; сивушных
масел – 0,35…0,4 %.
Технический этиловый спирт методом гидролиза растительных
материалов (щепы древесины, кукурузных кочерыжек и т. п.) ведут
разбавленной кислотой при повышенном давлении и температуре
в аппаратах периодического действия.
Общие сведения о спиртовом брожении. Из моносахаридов,
присутствующих в сусле на этиловый спирт перерабатываются только
гексозы, т. е. сахара с общей формулой С6Н12О6. В состав их входят:
глюкоза, манноза, галактоза и в малых количествах фруктоза. Сбраживание этих сахаров на этиловый спирт протекает под действием
микроорганизмов. Лучше всего сбраживать гексозы дрожжами.
По уравнению брожения Гей-Люссака из одной молекулы гексозы
получаются две молекулы этилового спирта и две молекулы углекислого газа. Отсюда теоретически возможный выход из 100 кг гексоз
спирта 51,14 кг и углекислого газа 48,86 кг. При плотности спирта
794,25 кг/м3 объем спирта будет 0,064794 м3. Пастep установил, что
при самых благоприятных условиях брожения из 100 кг глюкозы
превращаются в спирт не более 94,3 кг.
Практический выход спирта зависит от ряда факторов, главными
из которых являются: неполное сбраживание сахара – «недоброд»;
расход сахара дрожжами на дыхание; расход сахара на побочное
5
брожение посторонними микроорганизмами; увеличенный расход
сахара на размножение дрожжей; потери спирта с удаляющимся углекислым газом.
Практический выход спирта при сбраживании нейтрализата
в условиях производства следует считать не более 56 л из 100 кг
сбраживаемого сахара.
Гидролизаппараты предназначены для гидролиза растительного
сырья разбавленной серной кислотой концентрацией 0,9–1 % и экстракции сахаров, образующихся из твердых частиц сырья [1–4].
По характеру процесса гидролизаппараты делятся на периодические и непрерывнодействующие, работающие при избыточном
и атмосферном давлении. По форме известны гидролизаппараты
цилиндрические вертикальные и шаровые с вращающимся корпусом.
Аппараты для гидролиза древесины концентрированными
кислотами работают при атмосферном давлении, разбавленными
кислотами – под давлением при соответствующей температуре кипения варочного агента.
1.2. ГИДРОЛИЗАППАРАТ
ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Гидролизаппарат современной конструкции – это вертикальный
цилиндрический сварной стальной сосуд с коническими верхней
и нижней частями, заканчивающимися горловинами с фланцами для
присоединения вверху – запорной механизированной крышки, внизу –
выдувного клапана.
Для изготовления корпуса аппарата применяют стали обыкновенного качества, качественные конструкционные и низколегированные
стали (Ст. 3, Сталь 20, 16ГС). Внутри аппарат защищается кислотостойкой двухслойной футеровкой. Снаружи аппарат покрыт теплоизоляцией. Рационально теплоизоляцию покрывать кожухом из тонкого
алюминиевого листа, который предохраняет изоляцию от механических разрушений, химического воздействия проливов агрессивных
растворов и при промывке водой из шланга.
Верхняя горловина предназначена для загрузки аппарата сырьем
через загрузочное устройство. Горловина герметично закрывается
поворотной механизированной крышкой с полукольцевыми захватами. Управление крышкой – дистанционное через электродвигатель,
а при необходимости может осуществляться вручную. Открытие
6
крышки, благодаря системе блокировки, возможно только при давлении в аппарате ниже 0,005 МПа.
В верхней конической части аппарата расположены штуцеры
для подачи варочного агента на смачивание, перколяцию, для сдувки
парогазов и для присоединения датчиков системы контрольно-измерительных приборов и автоматики.
Аппарат опирается двумя опорами – лапами на монолитный
фундамент. Под одной опорной лапой устанавливается датчик пружинного весомера. Вторая опорная лапа устанавливается на две шарнирные опоры, которые обеспечивают компенсацию перемещений от
температурных изменений, и исключают воздействие горизонтальных
усилий на датчик весомера.
В нижней конической части гидролизаппарата расположены
штуцеры, которые предназначены для подачи пара при прогреве содержимого аппарата и отбора гидролизата при перколяции, а также
для размещения датчиков контрольно-измерительных приборов.
Нижняя горловина гидролизаппарата предназначена для выгрузки лигнина после варки. К горизонтальному переходному фланцу
горловины присоединен быстродействующий запорный клапан с приводом от пневмацилиндра. Управление клапаном дистанционное или
автоматическое.
Внутри гидролизаппарата на поверхности футеровки в нижнем
конусе расположено фильтрующее трубчатое устройство для отбора
кислого водного раствора сахаров-гидролизата.
Угол конусности верхней части аппарата обычно делают 90º,
что целесообразно для уменьшения общей высоты, нижней – преимущественно 60º для облегчения выгрузки лигнина (рис. 1.1).
На отечественных заводах работают различные по объему,
аналогичные по конструкции аппараты, технические характеристики
которых представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Техническая характеристика гидролизаппаратов
Номинальный объем
гидролизаппарата, м
Наружный диаметр, мм
верхней горловины
цилиндрической части
нижней горловины
7
3
18 30 37 50 70 160
(проект)
940
2 302
1 050
918
3 000
730
8876
2 786
886
990
2 808
1 190
790
3 850
650
940
3 872
800
Окончание табл. 1.1
Номинальный объем
гидролизаппарата, м
Толщина, мм
стенки
футеровки
Угол, º
вершины верхней конической части
вершины нижней кони-
ческой части
Высота, мм
верхней горловины
конической части
цилиндрической части
нижней конической
части
горловины
общая
3
18 30 37 50 70 160
(проект)
26
125
90
60
450
936
4 700
1 243
365
7 694
34
126
90
60
310
1 160
4 150
2 480
–
8 600
18
125
60
60
517
1 582
6 144
1 582
713
10 538
28
125
60
60
603
1 717
8 492
1 532
100
12 450
34
115
90
60
400 1
875
6 180
2 785
490
11 730
36
200
90
45
400
2 440
14 100
4 180
420
21 540
Отношение высоты к
диаметру
Масса корпуса, кг 16 350 17 600 13 800 24 700 34 000 82 000
Примечания:
1. В таблице не приведена характеристика гидролизаппаратов емкостью
3
40 м
тов емкостью 37 м
мают около 80–90 %.
. Характеристика этих аппаратов практически мало отличается от аппара-
2. Рабочий объем гидролизаппарата от номинального в расчетах прини-
3
.
3,2
2,8
3,8
4,5
3,1
5,6
Работа гидролизаппарата. Процесс гидролиза любых расти-
тельных материалов проводится на заводах в гидролизаппаратах различных емкостей и конструкций по единой технологической схеме.
Сначала в гидролизаппарат загружают сырье (щепу, опилки, кукурузные кочерыжки и т. д.) через верхнюю горловину с одновременным
смачиванием и пропитыванием раствором варочной кислоты концентрацией около 0,5 % с температурой 80–90 ºС. После загрузки аппарат
закрывают крышкой и прогревают содержимое острым паром, который подают через штуцеры в нижней горловине и фильтрующие
лучи. При прогреве одновременно удаляют воздух, инертные газы,
летучие продукты гидролиза через сдувочный штуцер, расположенный
8
у верхней горловины гидролиз аппарата. За время прогрева делают
две сдувки при избыточном давлении 0,3 МПа и 0,5 МПа.
Рис. 1.1. Гидролизаппарат периодического действия:
1 – поворотная механизированная крышка; 2 – стальной
корпус; 3 – бетонный слой; 4 – термокислотоупорные плитки
(кислотоупорный кирпич); 5 – подающая труба; 6 – короткий фильтрующий луч; 7 – клапан для выгрузки лигнина;
8 – удлиненный фильтрующий луч; 9 – опорные лапы;
10 – штуцер подачи варчной кислоты
9
После достижения давления в аппарате в верхней части
0,8–1,0 МПа подачу пара прекращают и начинают подавать через
верхний штуцер с угловым смесителем варочную кислоту концентрацией около 1,0 % и нагретую примерно до 190 ºС. Под влиянием
кислоты и температуры в присутствии воды в растительном сырье
протекает процесс гидролиза с образованием различных сахаров, переходящих в раствор. Так как сахара, находясь в кислой среде при высокой температуре, претерпевают нежелательные химические превращения необходимо их немедленно выводить из реакционной зоны. Поэтому с начала процесса гидролиза и до конца варки в аппарат подают
варочную кислоту и одновременно пропорционально отбирают гидролизат. Такой технологический прием называется перколяцией. Подачу
варочной кислоты и отбор гидролизата балансируют так, чтобы растительное сырье всегда находилось в жидкости.
Когда концентрация сахаров в гидролизате снижается до десятых долей процента, подачу варочной кислоты прекращают, жидкую
фазу из остатка отжимают. После гидролиза в аппарате остается
технический лигнин в количестве одной трети от исходного сырья.
Лигнин выгружают из аппарата под избыточным давлением около
0,7 МПа через нижнюю горловину и быстродействующий выгрузочный клапан в циклон. Благодаря внешнему эффекту такой способ
выгрузки называют «выстрелом».
Таким способом гидролиза получают из древесины 50 % сахаров от веса абсолютно сухого сырья, которые находятся в экстракте
с концентрацией около 3 %. Оборот гидролизаппарата
составляет
160–300 мин.
1.3. ФУТЕРОВКА ГИДРОЛИЗАППАРАТА
Корпус гидролизаппарата выполнен из сталей не стойких к воздействию агрессивной среды, находящейся внутри аппарата во время
его работы. Поэтому его защищают многослойной кислотостойкой
футеровкой из неметаллических материалов. Футеровка играет ответственную роль в эксплуатации гидролизаппарата и должна отвечать
ряду требований. Она должна обладать непроницаемостью, изготавливаться из высококачественных и недефицитных материалов, должна
быть долговечной, поддаваться несложному ремонту с минимальной
затратой времени и рабочей силы. Ее толщина не должна значительно
уменьшать объем аппарата. Кроме того, желательно чтобы она служила и термоизоляцией.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]