Введение к работе
Актуальность темы. Возрастающий сирое п;і продукты микробиологического производства обусловлен их исключительной ценностью для питания человека и сельскохозяйственных животных. Аппаратурное» оформление производственных микробиологических ироцессов имеет свои особенности.
В частности, несмотря на наблюдаемую тенденцию повсеместного перехода к непрерывно действующим аппаратам, специфика технологии производства многих микробиологических продуктов сохраняет целесо-, образность использования аппаратов периодического действия. В качестве примера укажем на охлаждаемые ферментеры и сборники дрожжевого концентрата, применяемые в производстве хлебопекарных дрожжей, а также аппараты для варки, охлаждения и осветления сусла в пивоваренном производстве.
Обычно такие аппараты снабжены мешалкой и теплообменником в виде рубашки или змеевика. Ввиду большом емкости аппаратов период их заполнения исходным продуктом составляет значительную долю обшей продолжительности проводимого процесса. С целью интенсификации теплообмена в период заполнения аппарата применяют различные устройства для распределения подаваемого продукта по всей теплопере-дающей поверхности, например, выполненные в виде неподвижного желоба или диска, установленного на валу мешалки. Загружаемый продукт стекает по теплонередающей поверхности тонкой пленкой и быстро охлаждается за счет передачи теплены через стенку к потоку хладоносителя в рубашке. 13 объеме аппарата, находящемся под уровнем продукта, условия теплообмена существенно отличаются от условий теплообмена в втекающей пленке. Математическое описание кинетики теплообмена осложняется тем, что в период заполнения аппарата уровень продукта непрерывно изменяется. Это приводит к необходимости формулирования іадачи нестационарного теплообмена дифференциальными уравнениями з частных производных (по координате и времени) с перемешающейся границей между участками с различными условиями теплопередачи. В зитературе, посвященной теоретическим основам химической и пищевой технологии, и в специальной литературе по теплообмену решения подобных задач отсутствуют. В данной работе формулируется к решается за-іача в указанный выше постановке.
Математическое моделирование процесса сушки продуктов микробиологического синтеза в сочетании с экспериментальными исследо-іаниями, а также оптимизация процесса являются весьма актуальной за-
дачей. Как показал анализ известных моделей кинетики сушки во взвешенном слое и в вакууме, они содержат ряд допущений, затрудняющих их практическое использование. Так, к числу недостатков моделей сушки относится допущение о том, что в ходе процесса равновесное влагосо-держание материала не изменяется. Для выполнения указанного допущения необходимо, чтобы параметры сушильного газа (его температура и вяагосодержание) в слое также оставались постоянными. Однако в реальных процессах сушки, проводимых в слое определенной высоты и при разумно ограниченной скорости теплоносителя, параметры воздуха в слое отличаются от входных и, кроме того, они изменяются во времени даже в случае постоянных входных параметрах сушильного агента. В моделях вакуумной сушки не учитываются особенности начальной стадии процесса, связанные с конденсацией пара на поверхности материала и его увлажнением.
С целью максимального сохранения качества высушиваемого материала задачу оптимального управления процессом вакуумной сушки необходимо решать с учетом ограничений на температуру продукта совместно с требованием наименьшем продолжительности процесса.
Построение полных математических моделей кинетики процесса сушки дисперсных материалов во взвешенном слое и в вакууме в постановке, свободной от вышеуказанных допущений и адекватных экспериментальным данным, а также разработка соответствующих методик расчета и оптимизации также являются целью настоящей работы.
Анализ работы основного оборудования дрожжевого производства показал, что необходим поиск дополнительных возможностей интенсификации процессов массо- и теплообмена при выращивании дрожжей, разработка конструкции дрожжерастильных аппаратов, сборников дрожжевого концентрата и сушильных аппаратов. В настоящей работе приведены результаты указанных исследований и предложена продуктивная, ресурсе- и энергосберегающая технология хлебопекарных дрожжей.
Работа проводилась в соответствии с научно-техническим планом Государственного комитета Совета Министров СССР по проблеме «Интенсификация биохимических и физических процессов производства, повышение пищевой полноценности продуктов питания»на 1977-1980гг.
отраслевыми планами НИР и ОКР Главного управления дрожжевой промышленности МПП РСФСР на 1976-1990 гг., комплексным планом научно-исследовательских работ на 1991-1995 гг. и основными научными направлениями на 1997-2000 гг. Воронежской государственной технологической академии.
Цел і. pafioTbi. Развитие теории и методов расчета рекуперативного теплообмена в емкостных аппаратах периодического действия при наличии распредели геля обрабатываемого продукта по теплопередающей поверхности, применяемых, і! частности, в микробиологическом производстве.
Построение математических моделей кинетики сушки дисперсных термочувствительных материалов во взвешенном слое ив вакууме, разработка методов расчета и оптимизации пик процессов применительно к производству хлебопекарных дрожжей.
Разработка предложений по совершенствованию аппаратов дрожжевого производства.
Научная новизна: 1) сформулирована и решена задача нестационарного теплообмена в периодически действующем емкостном аппарате с распределителем продукта по теплопередающей поверхности при про-тивоточном и прямоточном движении тепло- и хладоносителей с изменяющимся в ходе процесса уровнем заполнения аппарата; 2) на основе уравнений кинетики массо- и теплообмена и соотношений материального и теплового балансов, записанных в дифференциальной форме, разработана модель кинетики процесса сушки ви взвешенном слое с учетом изменения параметров материала и сушильного газа в объеме слоя, получены аналитические решения исходных уравнений, показана их адекватность экспериментальным данным; .3) дано математическое описание кинетики вакуумной сушки дисперсных материалов при постоянном парциальном давлении пара в сушильной камере и регулируемой температуре нагревателей, приведен анализ влияния различных парамегров на кинетику сушки и рассмотрена задача оптимального управления процессом при наложенном ограничении на температуру материала; 4) предложены способы интенсификации массо- и теплообмена в дрожжерастиль-ном аппарате за счет горизонтального ввода воздуха в культуральную среду и организации закрученного газожидкостного потока, а также термической стабилизации культуральной среды; 5) на основе теоретических и экспериментальных исследований предложена технология двух-стадийной сушки дрожжей с последовательным использованием псевдо-ожиженного слоя и вакуума. На защиту «наносятся:
-
Решение задачи рекуперативного теплообмена и емкостных аппаратах периодического действия.
-
Математическая модель и методика расчета кинетики сушки во взвешенном слое.
-
Математическая модель и методика расчета процесса вакуумной сушки.
-
Метод программного управления процессом вакуумной сушки при наложенном ограничении на температуру материала.
5. Усовершенствованная технология хлебопекарных дрожжей.
Практическую ценность представляют следующие результаты ра
боты: 1) методика и программа расчета процесса охлаждения продукта в
емкостном аппарате периодического действия с противоточным и пря
моточным движением тепло- и хладоносителей при распределении про
дукта по теплопередающей поверхности и без распределителя; 2) мето
дика и программа расчета кинетики сушки хлебопекарных дрожжей во
взвешенном слое, составленная с учетом изменения параметров сушиль
ного газа в объеме слоя и зависимости равновесного вла го содержания
материала от влагосодержания газа; 3) методика и программа расчета
кинетики вакуумной сушки хлебопекарных дрожжей, позволяющая рас
считать весь процесс с учетом особенностей начальной стадии, связанных
с конденсацией пара и увлажнением материала, а также с учетом измене-
. ния равновесного влагосодержания материала, обусловленного ростом температуры маїериала на завершающей стадии процесса: 4) методика расчета аэраторов дрожжерастнльных аппаратов, учитывающая термодинамические характеристики поступающего на аэрацию воздуха, высоту столба жидкости, отношение диаметра барботажного отверстия к толщине стенки трубки; 5) усовершенствованная технология хлебопекарных дрожжей, предусматривающая: интенсивное аэрирование и перемешивание культуральной среды в дрожжерастнльных аппаратах, оснащенных предлагаемыми аэраторами и внедренных на Ливеиском спирт-заводе. Буинеком сахарном заводе, Червенском заводе биологических продуктов Минской обл.. С- Петербургском комбинате пищевых концентратов. Уфимском заводе пиво-безалкогольных напитков, Воронежском, Кишиневском. Пензенском, Прокопьевском и Махачкалинском дрожжевых заводах: ускоренное охлаждение концентрата товарных дрожжей в сборниках, внедренное на Воронежском дрожжевом заводе; двухстадийный способ сушки дрожжей с использованием псевдоожижен-ного слоя и вакуума: осветление мелассных растворов и очистку после ~ дрожжевой культуральной среды с применением электротехнологий; 6 J способ управления процессом дозирования питательных растворов в дрожжерастильный аппарат; 7) способ управления процессом сушки.
Результатьі работы непосредственно использованы при проведении практических замятий и выполнении курсовых работ по дисциплине
«Тепло-хладотехника» на кафедре промышленной энергетики Воронежской государственной технологической академии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены на 37 международных, Всесоюзных, Всероссийских, региональных и вузовских конференциях и совещаниях, в том числе на 1 Национальной научно-технической конференции с Международным участием «Применение псевдокипяшего слоя и фшоидизационных систем в пищевой, вкусовой и биотехнологической промышленности» (Пловдив, 1989).
Международной научно-технической конференции «Прикладная биотехнология на пороге XXI века (Москва, 1995 ), Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в бродильных производствах» (Воронеж, 1997 ). Всероссийской научно-практической конференции «Физико-химические основы пищевых и химических производств» (Воронеж, 1996 ).
По материалам диссертации опубликовано 90 работ, в том числе 85- в центральной печати.
Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 233 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка літісраіурі.і и приложений, содержит 52 рисунка и 11 таблиц, библиография включает 272 наименования.