Научное обеспечение способа производства порошкообразных кормовых добавок Тонких Наталья Викторовна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Современное состояние теории, технологии и техники получения порошкообразных кормовых добавок 9

1.1 Характеристика применяемых компонентов комбикормов и их свойства 9

1.2 Современное состояние процесса распылительной сушки как наиболее энергоемкого процесса при получении порошкообразных продуктов

1.2.1 Конструктивное оформление распылительных сушильных установок 26

1.2.2 Модельные представления при математическом описании процесса распылительной сушки 39

1.3 Научные достижения в области мембранного разделения 44

1.3.1 Конструкции мембранных аппаратов и тенденции их совершенствования 45

1.4 Цель и задачи исследований 52

Глава 2 Объекты и методы исследований 55

2.1 Объекты исследований и схема проведения экспериментов 55

2.2 Способов получения хелатных соединений микроэлементов 57

2.3 Определение физико-механических свойств хелатных соединений микроэлементов 60

2.4 Способы ввода хелатных соединений микроэлементов в состав премиксов 61

2.5 Изучение процесса смешивания питательных и биологически активных веществ по оптимальному значению коэффициента вариации

Глава 3 Исследование процесса ультрафильтрации в технологии получения порошкообразных кормовых добавок 70

3.1 Экспериментальные исследования процесса ультрафильтрации 70

3.2 Аналитические исследования режимных параметров процесса ультрафильтрации

3.2.1 Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 72

3.2.2 Оптимизация процесса ультрафильтрации 79

3.3 Разработка устройства мембранного аппарата 80

Глава 4 Экспериментальные и аналитические исследования процесса распылительной сушки 85

4.1 Экспериментальная установка и методика проведения исследований 85

4.2 Математическая модель процесса сушки в распылительной сушилке

4.2.1 Постановка краевой задачи теплопроводности 88

4.2.2 Решение модельной задачи теплопроводности и анализ полученных результатов 89

4.2.3 Методика построения кривых влагоудаления при распылительной сушке высоковлажных продуктов 97

Глава 5 Разработка компоновочных решений при создании энергоэффективных технологий получения порошкообразнах кормовых добавок 99

5.1 Аппаратурно-технологическое оформление способа получения порошкообразных ферментных препаратов 99

5.2 Способ управления процессом получения капсулированных ферментных препаратов 107

5.3 Аппаратурно-технологическое оформление способа получения кормовой добавки на основе цеолита 121

5.4 Эксергетический анализ энергоэффективной технологии порошкообразной кормовой добавки 130

Заключение 141

Список литературы 1

• Современное состояние процесса распылительной сушки как наиболее энергоемкого процесса при получении порошкообразных продуктов
• Определение физико-механических свойств хелатных соединений микроэлементов
• Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов
• Решение модельной задачи теплопроводности и анализ полученных результатов

Введение к работе

Актуальность работы. Повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции через техническую и технологическую модернизацию производства является важнейшей задачей национального проекта «Развитие Агропромышленного комплекса на 2013-2020 годы». В настоящее время сложившиеся рыночные отношения предъявляют высокие требования к качеству комбикормов, их ассортименту. Повышение потребительских свойств комбикормов связано с привлечением в рецептуру премиксов новых добавок, которые увеличивают продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы, снижают затраты кормов, положительно влияют на иммунную систему. Этим требованиям отвечают порошкообразные кормовые добавки - цеолитсодержащая с хелатным соединением меди и ферментный препарат (З-маннаназы. Ферментный препарат (3-маннаназы позволяет гидролизовать некрахмалистые полисахариды, в том числе трудногидролизуемые маннаны клеточных стенок растительного сырья, что позволяет повысить усвояемость кормов. Хелат-ное соединение меди в составе премиксов оказывает положительное влияние на процесс воспроизводства сельскохозяйственных животных и птицы, способствует предупреждению их заболеваний, связанных с недостатком витаминов и микроэлементов.

Особое место в технологии ферментных препаратов отводится мембранному разделению жидких сред с возможностью их концентрирования при обьганой температуре при подготовке к распылительной сушке - наиболее энергоемкому процессу, влияющему на себестоимость готовой продукции.

Современные тенденции в развитии теории распылительной сушки подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергоэффективных технологий кормовых добавок с использованием важнейших принципов энергосбережения и экологической безопасности на всех этапах производства.

Теоретические основы тепломассообмена в процессах распылительной сушки и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова, Б.И. Леончика, А.С. Гинзбурга, А.А. Гухмана, Д.Г. Пажи, И.Т. Кретова, СТ. Антипова, П.Д. Лебедева, М.Ю. Лурье, В.И. Муштаева и др., а также зарубежных ученых - У. Маршалла, Р. Робинсона и др.

Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперерабаты-

вающего производств ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК». Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению о предоставлении субсидии от 28.11.2014 г. №14.577.21.0139 (уникальный идентификатор научных исследований и экспериментальных разработок RFMEFI57714X0139).

Цель работы - разработка научно обоснованных ресурсосберегающих, экологически безопасных и энергоэффективных способов производства порошкообразных кормовых добавок.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Изучение порошкообразной цеолитсодержащей добавки с хе-латным соединением меди и ферментного препарата Р-маннаназы как объектов кормопроизводства.

2. Разработка научно-практических подходов к созданию энергоэффективных технологий получения ферментных препаратов с использованием холодильной техники.

3. Определение рациональных технологических режимов ультрафильтрационной установки методами планирования эксперимента, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат на прокачку раствора и максимум массовой доли сухих веществ и активности (3-маннаназы в концентрате на выходе из мембраны.

4. Разработка конструкции мембранного аппарата, обеспечивающего повышение эффективности мембранного разделения при концентрировании культуральной жидкости за счет снижения поляризационной концентрации.

5. Получение аналитического решения математической модели процесса теплопереноса при распылительной сушке ферментного препарата Р-маннаназы с нанесением структурообразующей пленки и экспериментальная проверка результатов моделирования. Разработка методики построения кривых кинетики влагоудаления по экспериментальным данным.

6. Разработка программно-логического алгоритма управления технологическими параметрами при получении капсулированных ферментных препаратов, обеспечивающего наименьшие потери теплоты и электроэнергии.

7. Разработка способа получения и ввода хелатного соединения меди в состав премиксов; изучение влияния цеолитсодержащей добавки на качество комбикормовой продукции; выполнение оценки допустимого предела вариаций содержания биологически активных веществ в партии премикса относительно данных рецепта.

8. Промышленная апробация, технико-экономическая оценка и эксергетическии анализ предлагаемой технологии получения кормовой добавки на основе цеолита.

Научные положения, выносимые на защиту:

результаты исследований по возможности использования ферментного препарата (3-маннаназы и хелатного соединения меди в составе комбикормов и премиксов;

экспериментальные данные и результаты статистического моделирования процесса ультрафильтрации;

математическая модель процесса распылительной сушки ферментного препарата;

предлагаемые способы получения порошкообразных ферментного препарата и кормовой добавки на основе цеолита с использованием рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов;

программно-логический алгоритм управления технологическими параметрами при получении капсулированных ферментных препаратов;

метод расчета допустимого предела вариаций содержания биологически активных веществ в партии премикса.

Научная новизна.

1. Разработана статистическая модель процесса ультрафильтрации ферментного препарата (З-маннаназы, в которой в качестве критериев оптимизации использованы такие важные показатели, как удельные энергозатраты, массовая доля сухих веществ и активность ферментного препарата в концентрате на выходе из мембраны.

2. Решена нестационарная задача распределения температурных полей гранул с пленкой раствора на ее поверхности в процессе распылительной сушки в виде дифференциальных уравнений второго порядка методом преобразования Лапласа. Предложена методика построения кривых кинетики влагоудаления распылительной сушки ферментного препарата.

3. Составлен программно-логический алгоритм управления способа получения капсулированных ферментных препаратов на базе па-рокомпрессионного теплового насоса, обеспечивающий повышение энергетической эффективности совместно протекающих процессов ферментации и распылительной сушки.

4. Предложен метод расчета, позволяющий оценить допустимый предел вариаций содержания биологически активных веществ в партии премикса относительно данных рецепта.

5. Выполнен эксергетический анализ и проведена оценка термодинамического совершенства способа получения порошкообразной кормовой добавки на основе цеолита как системы процессов.

Практическая ценность. Разработана энергоэффективная технология получения ферментных препаратов с использованием паро-компрессионного теплового насоса (Пат. РФ № 2495122).

Определены рациональные интервалы изменения технологических режимов процесса ультрафильтрации культуральной жидкости ферментного препарата Р-маннаназы: массовая доля сухих веществ в исходном растворе С_и= 6,15-7,25 %; активность Р-маннаназы в культуральной жидкости А_н = 2399,014-2402,5 ед/см³; разрешающая способность мембраны D = 105,75-189,20 кДа; расход исходного раствора G_H = 0,0340-0,0354 шЧс.

Разработана конструкция вертикального мембранного аппарата (Решение о выдаче патента по заявке № 2014122596 от 18.05.2015).

Определены рациональные параметры процесса распылительной сушки: температура на входе в распылительную сушилку 75 - 90 С; давление сжатого воздуха, подаваемого в пневматическую форсунку 150 кПа; расход жидкости на распыление - 960 мл/ч; расход сушильного агента 30 м³/ч. Соотношение распыляемой жидкости и сжатого воздуха 1:10. Предложена методика построения кривых кинетики влагоудаления распылительной сушки ферментного препарата.

Разработан способ управления процессом получения капсулиро-ванных ферментных препаратов на базе парокомпрессионного теплового насоса (Решение о выдаче патента по заявке № 2014122382 от 10.04.2015).

Разработан способ производства кормовой добавки на основе цеолита и линия для его осуществления (Пат. РФ № 2484640).

Проведены производственные испытания в условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод», которые показали высокую эффективность предлагаемых технических и технологических решений.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует п. п. 1, 3 и 4 паспорта специальности 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств и п. п. 2 и 5 специальности 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всерос-

сийских научно-практических конференциях и семинарах (Воронеж, 2012-2014), (Иваново, 2014), (Алматы, 2014), (Краснодар, 2015), отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2013-2014).

Результаты работы отмечены дипломом лауреата конкурса «Инженерные технологии XXI века» (2013), дипломами участника выставки «Инновационные технологии в производстве кондитерских, хлебобулочных, макаронных изделий и зернопродуктов» (2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в т.ч. 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 10 тезисов докладов, получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 125 наименование, в т.ч. 10 зарубежных.

Современное состояние процесса распылительной сушки как наиболее энергоемкого процесса при получении порошкообразных продуктов

Разнообразие свойств продуктов требует индивидуального подхода к разработке рациональных методов их сушки (с учетом требований к качеству готового изделия). В настоящее время разрабатываются в основном типовые установки для большого класса сходных по своим свойствам продуктов. Это стало возможным благодаря классификации высушиваемых материалов как объектов сушки. Широкое применение получила техника сушки во взвешенном слое, которая открывает огромные возможности для повышения интенсивности и экономичности производственных процессов. Рассмотренные ниже примеры могут дать достаточное представление о современных методах сушки и некоторых тенденциях в развитии ее техники [21].

Для сушки высоковлажных продуктов (растворов, суспензий) наибольшее распространение получили распылительные сушилки. Они обеспечивают интенсивное удаление влаги при кратковременном пребывании продукта в зоне теплового воздействия.

При использовании этого метода подаваемый на сушку специальными приспособлениями (форсунками и центробежными дисками) раствор распыляется в сушильной камере, через которую проходит нагретый газ-теплоноситель. Под распылением подразумевают диспергирование струи жидкости, сопровождающееся образованием большого количества полидисперсных капель. Благодаря развитой поверхности диспергированных частиц происходит интенсивный тепло- и массообмен с агентом сушки, при этом распыленные частицы быстро отдают влагу. Весь процесс сушки занимает всего несколько секунд, причем максимальная температура частиц в процессе испарения влаги в зоне повышенных температур практически не превышает температуры влажного термометра. При сушке распылением можно изменять в определенных пределах некоторые показатели получаемых порошков: величину частиц, влажность, насыпную массу. При использовании сушки методом распыления получается готовый продукт, не требующий дальнейшего измельчения. Может быть сокращен и. полностью механизирован технологический цикл получения сухого продукта, при этом достигается более высокая производительность, чем, например, при молекулярной сушке, сокращается количество обслуживающего персонала и устраняется контакт его с продуктом.

Для распылительных сушилок характерно большое разнообразие конструкций, что является следствием различных свойств высушиваемых веществ и требований, предъявляемых к готовому продукту [21].

Основными преимуществами сушилок этого типа, как отмечают Леончик Б. П., Лыков М. В., Муштаев В. П., Фокин А. П., Белопольский М. С, МоПег Jens Thousig, Mujumdar A.S., Schuck P. [7, 9, 69, 71, 109, 134, 136, 142], являются: кратковременная продолжительность процесса сушки (несколько секунд); простота регулировки показателей качества высушенного продукта путём изменения параметров режима сушки (объёмный вес сухого порошка, размер частиц, остаточная влажность, температура); высушенный продукт полностью готов к использованию без последующего его измельчения; однородность полученного порошкообразного продукта; большой диапазон возможных температур в зоне сушки; позволяет легко получить сухой продукт, состоящий из нескольких компонентов, которые смешивают в жидком состоянии перед распылением в сушильной камере или производят их одновременное распыление; сохранение в готовом продукте ценных компонентов, в том числе термолабильных; исключает попадание пыли из частиц высушиваемого продукта в производственные помещения. Немногочисленными недостатками распылительных сушилок являются их большие габариты и металлоемкость, а также недостаточно высокий к.п.д.

По основным признакам распылительные сушильные установки классифицируются (Кравченко Э.Ф., Леончик Б. И., Лыков М. В., Липатов Н.Н., Малюков С.А., Нестеренко П.Г., Плановский А.А., Филатов Ю.И., Харитонов В.Д., Храмцов А.Г.) [65, 69, 114, 117]. По способу распыления: форсуночные и дисковые. По расположению сушильной камеры: горизонтальные и вертикальные. По способу удаления высушенного продукта из сушильной камеры: установки со скребковым механизмом, с пневматическим уборщиком, установки с ленточными, шнековыми или вибрационными транспортерами, а также с гравитационным механизмом удаления продукта.

По способу очистки отработанного в сушильной камере теплоносителя: установки с циклонной очисткой, установки с фильтр-камерами и установки с устройствами мокрого пылеулавливания мелких частиц продукта.

Большое разнообразие типов и конструкций распылительных сушильных установок и газораспределительных устройств вызвано поисками оптимального режима гидроаэродинамики потоков в сушильной камере, при котором осаждение продукта на стенках минимально.

Определение физико-механических свойств хелатных соединений микроэлементов

Типы мембранных структур В основном структура мембран влияет на тип мембранного процесса. Пористые мембраны - микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, мембранная дистилляция. Селективность определяется различиями в размерах молекул [54, 63, 113, 178]. Сплошные мембраны - диализ, газоразделение, первапорация. Селективность обусловлена различием в растворимости, в коэффициенте диффузии.

К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся микро-, ультра-, нанофильтрация, обратный осмос [44, 52, 54, 188, 202, 211, 218]. В этих методах используются полупроницаемые мембраны - перегородки, пропускающие преимущественно определенные компоненты, растворов, суспензий, культуральных жидкостей. Микрофильтрация осуществляется с помощью мембран, имеющих поры с диаметром порядка 0,1-1 мкм. Ультрафильтрация, в которой поры мембран с диаметром 0,01 - 0,1 мкм, т.е. ультрафильтрационные мембраны могут задерживать крупные органические молекулы и коллоидные частицы. Нанофильтрация с порами мембран размером 0,001 - 0,01 мкм. Обратноосмотические мембраны имеют размеры менее 0,001 мкм.

Мембранные методы разделения, применительно к биологическим суспензиям, обладают преимуществами: - перерабатываемый продукт не подвергается тепловым и химическим воздействиям; - концентрирование и очистка осуществляются без изменения агрегатного состояния и фазовых превращений; - легко обеспечиваются герметичность и асептические условия; - механическое и аэродинамическое воздействие на биологический материал незначительно. Основной составной частью мембранных аппаратов являются полупроницаемые мембраны, которые должны обладать высокой разделительной способностью или селективностью, высокой удельной производительностью или проницаемостью, механической прочностью, невысокой стоимостью [188, 218].

После культивированиия в культуральной жидкости содержатся микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности, остатки питательной среды. Для получения целевого продукта необходимо отделить взвешенную фазу -биомассу микроорганизмов от культуральной жидкости.

Одним из приемов концентрирования культуральных жидкостей (сгущение за счет повышения содержания СВ в растворе) перед распылительной сушкой является ультрафильтрация.

Известны недостатки [63, 178, 211] уже существующих устройств мембранного разделения культуральных жидкостей, растворов и суспензий: - высокое гидравлическое сопротивление движения потока; - образование высококонцентрированного слоя у поверхности мембраны обусловливается концентрационной поляризацией. Современные достижения в области конструирования мембранных аппаратов принадлежат ученым Воронежского государственного университета инженерных технологий [106-109, 113-115, 118, 121, 122].

Аппараты для мембранных процессов подразделяют на четыре типа, отличающиеся способом укладки мембран: аппараты с плоскими мембранными элементами, аппараты с трубчатыми мембранными элементами, аппараты с мембранными элементами рулонного типа и аппараты с мембранами в виде полых волокон.

Аппараты с плоскими мембранными элементами естественным образом пошли по пути повторения фильтров, и прежде всего фильтр-прессов. На рис. 1.12. представлена схема и на рис. 1.13 конструкция такого мембранного аппарата.

Разделяемый раствор последовательно проходит между всеми мембранными элементами, концентрируется и удаляется из аппарата. Часть этого раствора, прошедшая через мембрану в дренаж, образует пермеат (фильтрат).

Исходный раствор последовательно омывает плоские мембранные элементы, сложенные в стопку и проложенные периферийными уплотнительными рамками 5. Отверстия и каналы для перетока раствора из камеры в камеру выполнены в этих рамках, поэтому аппарат относится к бескорпусному типу. Внутреннее давление удерживается самими рамками, которые очень сильно сжимаются в общей сборке между фланцами 1 и 2 с помощью многочисленных шпилек.

Наличие двух фланцев и большого числа стягивающих шпилек является основным недостатком аппаратов такого типа. Фланцы приходится изготавливать очень толстыми и тяжелыми, а шпилек нужно очень много.

Основной недостаток мембранных аппаратов этого типа - тяжелые фланцы и довольно сложная система. Также нерациональный раскрой листовых материалов (мембран, опорных пластин и т. д.); сложность герметизации переточных отверстий как при склеивании, так и при использовании специальных уплотняющих; неравномерность движения разделяемого раствора в поперечном сечении межмембранного канала и возможность образования застойных зон; усложнение конструкций аппаратов при использовании разделительных пластин для улучшения гидродинамических условий течения разделяемого раствора, увеличение потерь рабочего давления и уменьшение рабочей поверхности мембран.

Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов

Для получения порошкообразного препарата Р-маннаназы приемлемым энергоподводом является распылительная сушка, поскольку сушка происходит практически мгновенно и при невысокой температуре распыливаемых частиц растворов [9]

Важной стадией перед сушкой является ультрафильтрация культуральной жидкости, полученной глубинным культивированием микроорганизмов. При этом ультрафильтрация позволяет удалить низкомолекулярные белки, повысить содержание сухих веществ и активность фермента Р-маннаназы.

Целью данного этапа работы является проведение исследований, позволяющих найти область режимных параметров по выбранным критериям оценки процесса ультрафильтрации Р-маннаназы микромицета Trichoderma harzianum F114.

Для решения поставленной задачи использовалась пилотная установка мембранной фильтрации (рис. 3.1), предназначенная для определения основных условий организации процесса в широком диапазоне изменения режимных параметров.

Основным конструктивным элементом установки являются керамические мембраны INSIDE CeRAM фирмы «ТАМІ Deutschland GmbH», которые по сравнению с полимерными имеют существенные преимущества (таблица 3.1):

Подготовка керамических мембран к работе проводилась в следующем порядке. Керамическую мембрану визуально осматривали с целью выявления возможных дефектов, например трещин, сколов или раковин. В случае достаточно хорошего визуального осмотра мембраны, последнюю помещали в стеклянный цилиндр с дистиллированной водой. Перед ультрафильтрацией мембрану помещали в подогретую дистиллированную воду, медленно доводили ее до кипения и кипятили в течение 10-15 мин. Характеристика используемых керамических мембран приведена в таблице 3.1. Таблица 3.1 Характеристика используемых керамических мембран

После того, как система была запущена на воде, проводили замену воды продуктом в баке исходного раствора. Таким способом вода замещалась в системе, в трубчатом мембранном модуле происходило постепенное увеличение растворенных веществ. При этом закрывали кран концентрата полностью и позволяли растворенным веществам накапливаться быстрее. Когда определяющие показатели по потоку показывали, что состав концентрата близок к заданному значению, увеличивали поток концентрата выбором правильного положения крана [64].

Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации культуральной жидкости Р-маннаназы продуцента микромицета Trichoderma harzianum F114, применили математические методы планирования эксперимента [43].

В качестве основных факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации, были выбраны следующие: массовая доля сухих веществ (СВ) в исходном растворе (Х\) Сн = 5,0-8,0 %; активность Р-маннаназы в культуральной жидкости (Х2) Ая = 2395-2405 ед/см ; разрешающая способность мембраны (Х3) "5 D = 20-300 кДа; расход исходного раствора (Х4) GH = 0,032-0,040 м /с. Все эти факторы совместимы и некоррелированы между собой. Пределы изменения факторов приведены в таблице 3.2.

Критериями оценки влияния различных факторов на процесс ультрафильтрации были выбраны Y\ - удельные энергозатраты на прокачку раствора, отнесенные на 1 м пермеата, мДж/м ; 72 - массовая доля СВ в концентрате, %. Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы случайных чисел, что исключало влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента. При их обработке применили следующие статистические критерии: Кохрена - проверка однородности дисперсий; Стьюдента -значимость коэффициентов уравнений регрессии; Фишера - адекватность уравнений. В результате получены нелинейные уравнения регрессии, адекватно описывающие данный процесс:

В результате выполнения тридцати двух опытов получена информация о влиянии факторов и построена математическая модель процесса, позволяющая рассчитать выходные параметры внутри выбранных интервалов варьирования входных факторов.

Решение модельной задачи теплопроводности и анализ полученных результатов

Культуральная жидкость с помощью форсунок распыляется в сушильной камере, где контактирует с горячим воздухом с температурой 70...75 С, подаваемым по линии 3.4. Таким образом, достигается значительное увеличение поверхности испарения. За счет интенсивного массо- и теплообмена между высушиваемым продуктом и сушильным агентом диспергированные частицы ферментного препарата теряют влагу в течение короткого промежутка времени. Конечный продукт, порошкообразный ферментный препарат, имеет влажность 5...7 %.

Нагрев воздуха, подаваемого в распылительную сушилку 7 в качестве сушильного агента, происходит с применением парокомпрессионной холодильной машины.

Парокомпрессионная холодильная машина, включающая конденсатор 9, испаритель 11, компрессор 8, терморегулирующий вентиль 10 и рекуперативный теплообменник 13, работает в режиме теплового насоса по следующему термодинамическому циклу.

Хладагент всасывается компрессором 8, сжимается до давления конденсации и по замкнутому контуру 9.0 направляется в конденсатор 9. Затем хладагент дросселируется до заданного давления, соответствующего его температуре кипения, посредством терморегулирующего вентиля 10. С этим давлением хладагент поступает в испаритель 11 и испаряется с выделением холода. Пары хладагента по контуру 9.0 направляются в компрессор 8, сжимаются до давления конденсации, и термодинамический цикл повторяется.

Отработанный воздух из распылительной сушилки 7 с температурой 30...35 С и влагосодержанием 0,025...0,030 кг/кг по линии 3.0 поступает в испаритель 11, где из него удаляется влага, отводимая по линии 1.8 в сборник конденсата 12. Полученный таким образом конденсат с помощью насоса 17 подается на фильтры 4 и 5, где используется для их промывания от осадка.

Воздух, нагретый в конденсаторе до температуры 70...75 С, разделяется на два потока, один из которых по линии 3.4 подается вентилятором 15 в рекуперативный теплообменник 13, а другой - вентилятором 16 в распылительную сушилку 7.

В рекуперативном теплообменнике 13 происходит теплообмен между нагретым воздухом и отработанной водой, отводимой из ферментаторов, за счет которого вода нагревается до температуры 40...45 С. После этого нагретая вода вновь подается в обогревающие рубашки ферментаторов насосом 14, где используется для стабилизации температурного режима процесса культивирования.

Процесс ферментации осуществлялся в ферментаторе аэробной глубинной ферментации с комбинированным подводом энергии: к газовой фазе для аэрации стерильным воздухом с помощью барботера и к жидкой фазе перемешиванием с помощью механической мешалки, который заключался в дозированной подаче потоков питательной среды, инокулята (посевного материала), стерильного воздуха, горячей воды в обогревающую рубашку для обеспечения высокой интенсивности массо- и энергообмена микробных клеток инокулята с питательной средой за счет стабилизации параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта. Из ферментатора отводили отработанный воздух, отработанную воду и культуральную жидкость в виде смеси, содержащей клетки, внеклеточные метаболиты и биомассу с остаточной концентрацией целевого продукта.

Для выделения целевого продукта из культуральной жидкости ее подвергали фильтрации с удалением осадка биомассы и подачей фильтрата в распылительную сушилку SD-1000 [EYELA, Япония] со следующими техническими характеристиками:

В качестве объекта производства использован фермент Р-маннаназы, который гидролизует маннаны растительного углеводсодержащего сырья до маннозы, полученный глубинным способом культивирования с использованием продуцента микромицета TrichodermaharzianumF 114.

В двух ферментаторах, снабженных обогревающими рубашками, методом аэробной глубинной ферментации осуществляют подготовку культуральной жидкости при температуре 31,5 ± 0,5 С. При этом создаются оптимальные условия культивирования за счет интенсивного массо- и энергообмена между клетками микроорганизмов питательной среды и посевного материала. Кроме того, осуществляют непрерывное механическое перемешивание питательной среды по всему объему ферментатора и ее аэрацию потоком стерильного воздуха, подаваемого в ферментатор.