Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии производства и применения биомассы микроводорослей .. 11
1.1 Микроводоросли как объект массового культивирования 11
1.2 Влияние технологических режимов на выход биомассы 15
1.2.1 Питательные вещества 15
1.2.2 Световой и температурный режим 18
1.2.3 Сопряженное влияние факторов 22
1.2.4 Негативные экологические факторы среды 23
1.3 Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования микроскопических водорослей 24
1.3.1 Общая характеристика фотобиореакторов 24
1.3.2 Установки экстенсивного культивирования 25
1.3.3 Аппараты и установки интенсивного культивирования 27
1.4 Суспензия микроводорослей в качестве кормовой биологически активной добавки
1.4.1 Свойства и химический состав хлореллы 36
1.4.2 Применение микроводорослей для сельскохозяйственной птицы 37
1.4.3 Использование «влажного» гранулирования в кормопроизводстве 39
1.5 Исследование массообмена при культивировании микроводорослей42
1.6 Анализ литературного обзора. Цели и задачи исследования 45
Глава 2 Экспериментальные и теоретические исследования процесса культивирования микроскопических водорослей 48
2.1 Свойства суспензии микроводоросли хлорелла 48
2.2 Описание экспериментальной установки 50
2.3 Исследование кинетических закономерностей процесса культивирования микроводоросли хлорелла 57
2.3.1 Культивирование хлореллы в накопительном режиме 57
2.3.2 Исследование кинетики накопления биомассы
при культивировании хлореллы в квазинепрерывном режиме.. 63 2.4Математическое описание процесса массопереноса диоксида углерода в плёночном фотобиореакторе с использованием диффузионной модели 72
Глава 3. Исследование процесса производства комбикормов с вводом суспензии хлореллы 77
3.1 Статистическая оценка процессов дозирования и смешивания суспензии хлореллы при производстве рассыпных комбикормов.. 77
3.2 Исследование процесса гранулирования комбикормов с вводом суспензии хлореллы 80
3.3 Исследование динамики показателей качества комбикорма с вводом суспензии хлореллы при хранении 82
3.4 Опыты по скармливанию комбикормов с вводом суспензии хлореллы цыплятам-бройлерам 83
Глава 4. Практическая реализация результатов исследований 87
4.1 Способ приготовления комбикорма для сельскохозяйственной птицы 87
4.2 Линия производства крупки с вводом фотоавтотрфоной биомассы по технологии «влажного» гранулирования 89
4.3 Пленочный биореактор для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов 97
4.3.1 Разработка конструкции биореактора 97
4.5.1 Методика инженерного расчета пленочного фотобиореактора 101
Глава 5. Повышение эффективности технологии комбикормов с вводом суспензии микроводорослей 109
5.1 Эксергетический анализ технологии комбикормов с использованием фотоавтотрофного биосинтеза 109
5.2 Автоматический контроль технологии комбикормов с вводом суспензии микроводорослей 117
5.3 Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов
5.4 Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования пленочного фотобиореактора в технологии комбикормов 132
Основные выводы и результаты работы 134
Библиографический список 136
Приложения 154
- Влияние технологических режимов на выход биомассы
- Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования микроскопических водорослей
- Описание экспериментальной установки
- Исследование процесса гранулирования комбикормов с вводом суспензии хлореллы
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 2008-2012 годы». В связи со значительным повышением требований к рентабельности животноводческой отрасли все большую актуальность приобретает повышение степени конверсии кормов, направленное на улучшение функционирования пищеварительной и иммунной систем. Получение экологически чистой комбикормовой продукции ведет к необходимости отказа от стимулирующих, гормональных, антибиотических и других фармакологических препаратов, обладающих кумулятивным действием и способных передаваться человеку через потребляемые продукты животноводства. Этим требованиям отвечает природная биологически активная добавка - суспензия микроскопической водоросли хлорелла. Ее действие основано на естественном сочетании природных стимулирующих и биологически активных веществ, выделяемых клетками в культуральную среду (суспензию). Ранее стимулирующий эффект хлореллы не использовался вследствие ее скармливания в віще пасты или порошка. Получаемая белково-углеводная масса является трудноусвояемой вследствие значительной толщины клеточных стенок (до 1 мкм при диаметре клетки 1,5...10 мкм), для разрушения которых требуется термическая обработка, повышающая энергозатраты и снижающая биологическую ценность продукта.
Перспективным является использование хлореллы в виде суспензии, содержащей природный антибиотик хлореллин, арахидоновую кислоту, хлон «А», а также аминокислоты, витамины, ферменты и другие вещества, выделение которых клетками наиболее интенсивно в начальном периоде роста. Наиболее эффективным представляется ввод суспензии хлореллы в состав комбикормов.
Данному научному направлению посвящены труды М.Я. Сальниковой, П.А. Гладышева, Р.Г. Геворгиза, П. Станчева, С.С. Мельникова, Н.И. Богданова, В.А. Жаворонкова, А.С. Константинова, В.В. Мелихова, A.M. Музафарова и Т.Т. Таубаева, И.А. Петрова, А.А. Штоля, R. Andersen, М. Borowitzka, Y. Lee, R. Materassi, M. Miranda, О. Pulz, С. Ward 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 планом госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры технологии хранения и переработки зерна Воронежской государственной технологической академии (№ гос. регистрации 01.200.1 16992) «Интенсификация технологических процессов зерноперерабатывающих предприятий»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по
направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» на тему «Разработка технологии и оборудования для производства комбикормов с вводом биологически активных добавок для различных групп сельскохозяйственных животных и птицы на основе исследования кинетических закономерностей, гидродинамики и тепломассообмена с учетом принципов экологичности, энерго- и ресурсосбережения».
Цель диссертационной работы: получение новой кормовой добавки на основе микроводоросли хлорелла, позволяющей расширить ассортимент комбикормовой продукции; создание ресурсосберегающей технологии комбикормов с использованием фотоавтотрофного биосинтеза; разработка конструкции фотобиореактора и способа управления процессом культивирования микроводоросли хлорелла.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
изучение микроводоросли хлорелла как объекта культивирования;
экспериментальные исследования кинетических закономерностей процесса культивирования микроводоросли хлорелла в квазинепрерывном режиме и определение рациональной области изменения технологических параметров и изучение свойств полученной суспензии;
математическое моделирование массопереноса диоксида углерода в пленочном фотобиореакторе при противоточном режиме истечения пленки суспензии и газовой фазы;
разработка конструкции фотобиореактора для культивирования микроводоросли хлорелла;
разработка способа производства крупки из гранул полнорационного комбикорма с вводом суспензии хлореллы для сельскохозяйственной птицы и технологической линии для его осуществления;
разработка способа управления технологией получения комбикормов с использованием продукта фотоавтотрофного биосинтеза;
определение показателей качества комбикормов с вводом суспензии хлореллы, оценка их стабильности при хранении и определение эффективности скармливания сельскохозяйственной птице;
оценка энергетической эффективности предлагаемой технологии;
- промышленная апробация результатов и технико-экономиче
ская оценка предлагаемых технических и технологических решений.
Научные положения, выносимые на защиту:
обоснование и разработка способа фотоавтотрофного культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris в пленочном фотобиореакторе.
закономерности процесса биосинтеза Chlorella vulgaris в пленочном фотобиореакторе в квазинепрерывном режиме.
математическая модель изменения концентрации диоксида углерода по высоте рабочей зоны пленочного фотобиореактора.
- обоснование возможности ввода полученной в фотобиореак-торе суспензии микроводоросли в комбикорма на существующих технологических линиях.
Научная новизна. Научно обоснован способ производства полнорационного гранулированного комбикорма и крупки из гранул с вводом суспензии хлореллы на основе фотоавтотрофного биосинтеза.
Изучены основные кинетические закономерности при культивировании хлореллы и массообмен в пленочном фотобиореакторе.
Разработана математическая модель изменения концентрации диоксида углерода по высоте рабочей зоны пленочного фотобиореактора в противоточном режиме истечения пленки суспензии и газовой фазы, позволяющая определять изменение концентрации клеток диоксида углерода в суспензии по высоте рабочей зоны фотобиореактора в исследуемом диапазоне технологических параметров.
Составлены программно-логические алгоритмы управления технологическими параметрами процессов культивирования и ввода суспензии хлореллы в комбикорм, обеспечивающие экономию материальных и энергетических ресурсов.
Практическая ценность. Разработан способ производства крупки из гранул полнорационного комбикорма с вводом суспензии хлореллы для сельскохозяйственной птицы (Пат. РФ № 2328138) и технологическая линия для его осуществления (Пат. РФ № 2411885). Определены рациональные интервалы изменения технологических режимов процесса культивирования хлореллы и конструктивных параметров фотобиореактора: концентрация С02 в газовоздушной смеси -6,5...7,5 %; давление газовоздушной смеси на входе в фотобиореактор - 1,8...2,1 10s Па; освещенность - 25..29 клк; расход суспензии хлореллы-2,2...2,5 м3/ч; шаг винтовой спирали - 10..15 мм.
Разработана конструкция фотобиореактора пленочного типа (Пат. РФ № 2363728), предложен способ культивирования микроводоросли хлорелла (Заявка № 2010147435 (068512) приоритет 23.11.2010) и алгоритм управления технологическими параметрами процесса ввода суспензии хлореллы в комбикорм (Пат. РФ № 2363235).
Получен новый продукт фотоавтотрофного биосинтеза микроводоросли с повышенной биологической ценностью, позволяющий расширить ассортимент комбикормовой продукции (Пат. РФ № 2320198). Разработан технологический регламент производства комбикормов с вводом суспензии хлореллы.
Определены структурно-механические и технологические показатели качества готовой продукции, свидетельствующие о преимуществе предлагаемой технологии, изучена динамика показателей качества комби-
кормов с вводом суспензии хлореллы при хранении. Качество продукта не ухудшалось в течение одного месяца при хранении в складских условиях.
Зоотехнические исследования в условия ООО «Липецкптица» показали увеличение привесов сельскохозяйственной птицы на 2...3 %.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует п. 1, 2 и 4 паспорта специальности 05.18.12 -«Процессы и аппараты пищевых производств» и п. 3, 4 и 5 специальности 03.01.06 - «Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)».
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на отчетных научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (2008 - 2010); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления науки и технологий» (Тула, 2008); VI научно-технической конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации» (Москва, 2008), III Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)» (Воронеж, 2009).
Результаты работы демонстрировались на Воронежском промышленном форуме (2008,2009), 25-ой межрегиональной выставке «Продторг» (2008), молодежном научно-инновационном конкурсе среди студентов, аспирантов и молодых ученых «У .М.Н.И.К» (2009) и отмечены дипломами.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, получено 5 патентов РФ на изобретения, в соавторстве опубликована монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 25 таблиц. Список литературы включает 172 наименования, в том числе 15 зарубежных. Приложения к диссертации представлены на 44 страницах.
Влияние технологических режимов на выход биомассы
Известны три типа питания микроводорослей: автотрофное, гетеротрофное и миксотрофное [30, 40]. Хлорелла достаточно легко и обратимо может переключаться на любой из них, потребляя при автотрофном минеральные вещества и углекислый газ при условии интенсивного освещения, при гетеротрофном - органические вещества (углеводы, спирты, органические кислоты) вместо СОг- В условиях миксотрофного питания необходимо чередовать указанные типы сред при освещении и затемнении соответственно [31].
Выбор питательной среды для хлореллы, используемой в животноводстве, зависит от ее назначения [14]. Во избежание лимитирования роста водорослей по какому-либо элементу готовят концентрированную питательную среду, наиболее распространенными из которых являются среды Тамия, Пратта Чу-10, Кнопа, Громова [119]. Для избирательного культивирования протококковых микроводорослей используют среду Елсукова [12], модифицированную среду Тамия, содержащую янтарную кислоту и сернокислый марганец для подавления цианобактерий. Применение этой питательной смеси удешевляет культивирование вследствие замены дорогих химически чистых солей минеральными удобрениями. Микроэлементы, кроме марганца и железа, поступают в виде примесей, имеющихся даже в чистых солях. Среда включает следующие компоненты (мг/л):
Для систем непрерывного культивирования фотоавтотрофов поддержание состава питательной среды на заданном уровне путем его обновление во время съема части суспензии. Установлено [9], что для сохранения ба -16 ланса по солям и микроэлементам достаточно во вводимой питательной среде иметь половинное содержание компонентов.
Важным фактором при выращивании микроводорослей является величина рН, обуславливающая каталитическую активность ферментов. Например, рост хлореллы возможен при рН=5,0...9,0, и идет, как правило, с защелачиванием. Поддержание рН на оптимальном уровне — 6,5... 7,5 осуществляется с помощью титрующих агентов—HN03 и КОН, а таюке нитратов и солей аммония. Одним из путей стабилизации рН является связывание ионов хелатными соединениями: образовавшиеся комплексы находятся в химическом равновесии со свободными ионами, обеспечивая распределение питательных веществ в нетоксичных дозах.
При автотрофном культивировании микроводорослей снабжение суспензии диоксидом углерода является одним из основных условий, обеспечивающих интенсивный рост. Углекислотная зависимость фотосинтеза микроскопических водорослей, как и других автотрофов, характеризуется кривой с насыщением. Значение насыщающей концентрации СОг по одним данным [31], на-ходится в пределах 2,0...5,0 %, а по другим - 1,6... 1,7 % [41] и зависит от используемого штамма, конструкции фотобиореактора и режима культивирования. Падение концентрации ниже насыщающей вызывает подавление фотосин-. теза, уменьшение скорости прироста биомассы и производительности реактора.
Наименьшим количеством углекислого газа, необходимого для фотобиосинтеза, является доза 2 г СОг на 1 г биомассы [66], более чем на порядок превышающая потребности в остальных элементах питания. Поэтому обеспечение интенсивно растущей культуры водорослей углекислым газом требует значительных затрат СОг и сопутствующих затрат на процесс межфазного массооб-мена. При использовании углекислого газа из любых источников (баллонная углекислота, дымовые газы предприятий, минеральные источники) необходимо обеспечить проведение процесса в таких условиях, чтобы затраты на межфазный перенос СОг из газовой фазы в жидкость были бы минимальными.
Влияние концентрации СОг на эффективность фотобиосинтеза находится в тесной связи с действием других технологических факторов - интенсивности освещения и температуры, поэтому необходимо добиваться их определенного соотношения. В случае лимитирования системы культивирования микроводорослей по углекислому газу при автотрофном питании повышение интенсивности остальных параметров не может вызвать усиления биосинтеза [108].
Углекислый газ вводится в фотобиореакторы различными способами, но чаще всего — в смеси с инертными носителями, в частности, с воздухом [40]. Известны способы использования продуктов горения топлива [64], воздуха животноводческих помещений [107]. Однако такие способы несут в себе опасность заражения суспензии посторонней микрофлорой, в том числе патогенной, что не позволяет использовать полученную биомассу в производстве комбикормов.
Поскольку фотосинтезирующие организмы нуждаются в лучистой энергии света, проникновение и распределение его в суспензии является существенным фактором обеспечения интенсивного фотосинтеза, а, следовательно, прироста биомассы. В связи с этим, важным требованием к культурам микроводорослей является гомогенность суспензии, а также толщина ее слоя и конструкция культиваторов, обеспечивающие равные возможности получения лучистой энергии клетками.
Световая зависимость фотосинтеза одноклеточных водорослей характеризуется кривой с насыщением, зависящим не только от интенсивности света, но и от плотности и толщины слоя суспензии [30, 40]. При недостаточном освещении процесс фотосинтеза замедляется, а его избыток чаще всего отрицательно сказывается на росте биомассы [26, 117]. Однако хлорелла способна адаптироваться к изменяющейся в некоторых пределах интенсивности света [30, 75]. Оптимальная освещенность хлореллы находится в пределах 0,7...20 клк, порог светового насыщения — 1...90 клк. При работе с высокими концентрациями биомассы при малой толщине просвечиваемого слоя (пленочное культивирование), значение оптимальной освещенности тесно связа -18 но с конструкцией фотобиореактора и гидродинамическим режимом его работы [13]. Для хлореллы оптимальная освещенность равна 50...60 кЛк. Оптимальное значение освещенности зависит также от температуры среды: при температуре 27 С рекомендуется освещение в 2,20 клк, а при 34 С - 12 клк. В [107] исследована световая адаптация микроводоросли хлорелла к повышенной интенсивности света при постоянном увеличении светового потока .
Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования микроскопических водорослей
Основными отличия фотобиореакторов от прочих реакторов, используемых при аэробном культивировании, являются наличие источника света, имеющего определенный спектр излучения, прозрачность рабочей зоны, выполненной из определенного материала (органическое или кварцевое стекло для выращивания микроскопических водорослей), а также необходимость подвода углекислоты (в чистом виде или в смеси с инертным носителем) и постоянного отвода кислорода - продукта фотосинтеза.
Первые лабораторные установки для выращивания фотоавтотрофов представляли собой прозрачные емкости, освещаемые лампами,. Подобный метод неизбежно приводит к проблеме неравномерности нагрева суспензии и ингибированию роста культуры. При переходе от лабораторных образцов к полупромышленным в связи с развитием техники и технологии культивирования микроскопических водорослей в 60-70-е годы прошлого века возникли следующие основные проблемы: - необходимость светоподвода ко всем клеткам микроводоросли; - улучшение аэрации суспензии для равномерности поступления углекислого газа к клеткам; - контроль рН среды; - поддержание температуры культивирования на определенном уровне для различных штаммов микроводорослей при исключении налипания клеток на прозрачные поверхности, обращенные к источникам излучения.
В связи с интенсификацией производственных процессов возникли новые требования к процессу культивирования: снижение удельных энергозатрат и занимаемых площадей, автоматизация процесса культивирования и т д.
В настоящее время биомассу хлореллы и других микроскопических водорослей получают во многих странах мира, как высокоразвитых (Япония, США, Франция, Испания, Израиль), так и в развивающихся (Страны Средней Азии, Индия, Мексика). В мире преобладают два подхода к промышленному выращиванию микроскопических водорослей - массовая культура под открытым небом и интенсивная культура в закрытых аппаратах. Согласно классификации [73], существует четыре основных типа установок: закрытая циркулирующая, закрытая глубинная, открытая глубинная и открытая неглубинная.
Наибольшее распространение на сегодняшний день в странах со стабильно теплым климатом получили установки третьего типа — глубинные открытого типа. Микроводоросли выращиваются в них при толщине слоя суспензии 25...50 см. Культивирование осуществляется без перемешивания или с использованием лопастных мешалок. Такие установки представляют собой аквариумы из органических полимеров (полиметилметакрилат, поликарбо нат, полиэтилен), ванны и бассейны различной формы, расположенные под открытым небом и использующие естественное освещение.
Установки под открытым небом (рис. 1.10) известны с 50-х годов прошлого столетия [64]. Такой способ состоит в культивировании микроводорослей в жидких питательных средах в бассейнах, лотках и других емкостях с различными способами перемешивания. Метод производства биомассы применяется в странах со стабильно теплым климатом (Мексика, Страны Средней Азии, юг США, Бирма, страны Африки). Коммерческое производство спирулины и сце-недесмуса в настоящее время базируется на применении открытых бассейнов с перемешиванием суспензии лопастями типа «мельничного колеса» и бассейнов, дно которых выполнено из бетона или тонкого пластика [90]. Из стран ближнего зарубежья культивирование микроводорослей развито в Узбекистане, где используются, в основном, круглые бассейны с перемешивающими устройствами размером до 1000...2000 м и производительностью 15...25 г/м СБ/сут [40]. Урожай в условиях массовой культуры под открытым небом составляет в среднем 0,2 г/л в стуки при плотности культуры 25.. .400 млн. кл./мл.
К преимуществам открытых бассейнов, начиная от мелких для локального применения и заканчивая бассейнами, занимающими обширные территории, относится простота изготовления и масштабирования, а также возможность подготовки питательной среды с расчетом на несколько недель культивирования. Однако существуют недостатки, делающие подобные способы получения фототрофной биомассы на территории РФ малоперспективными: 1) Невозможность повышения степени усвоения световой энергии, так как в данном случае свет является лимитирующим фактором. 2) Для достижения высокой продуктивности необходимо, чтобы толщина слоя суспензии в бассейне не превышала 150 мм [163]. Это приводит к значительному увеличению занимаемых площадей, что делает способ культивирования под открытым небом экстенсивным. 3) Решающая зависимость от сезона года, что полностью исключает круглогодичное получение фототрофной биомассы и не дает возможности заменять ей свежим травяным кормам для животных в холодное время года, а также стать альтернативой травяной муке, используемой в составе комбикормов. 4) Трудность и практическая невозможность получения биологически чистой биомассы вследствие проникновения в культуральную среду различ ных микроорганизмов, имеющих сходные с микроводорослями условия роста. Таким образом, производство высококачественного продукта с заданным составом в бассейнах открытого типа является трудноосуществимой задачей, поэтому необходимо создание современных производств с использованием высокоинтенсивного управляемого культивирования микроводорослей.
Известны установки, корпусом которых является ваннообразная емкость [14, 64, 77], в которую заливается раствор минеральных солей - культураль-ная среда и вносится инокулят микроводоросли. Освещение клеток производится посредством ламп ДРЛФ или ДРИ, а снабжение углекислотой — посредством барботажа или при помощи внесения клетчатковых бактерий, выращиваемых на целлюлозосодержащих материалах (рис. 1.11).
Такие установки имеют простую конструкцию, надежны в эксплуатации, однако они имеют ряд недостатков. При внесении клетчатковых бактерий предложенный способ пригоден лишь для культивирования планктонных штаммов [73, 76], иначе необходимо использовать барботажные устройства, что в промышленных объемах несет значительные энергетические затраты. Также эта установка не позволяет осуществлять термостатирование суспензии и не дает возможности автоматизировать культивирование.
Описание экспериментальной установки
Для исследования процесса культивирования микроскопической водоросли хлорелла в пленочном фотобиореакторе использовалась экспериментальная установка (рис. 2.2), спроектированная с учетом опыта предыдущих исследований [24, 30, 136, 146, 149, 155]. Установка включает фотобиореак-тор, насос, компрессор, углекислотный баллон, технологические емкости, трубопроводы, газовые шланги и щит управления. ЗБ-схема установки для проведения экспериментов по культивированию представлена на рис. 2.3.
Фотобиореактор 1 состоит из секций ввода 2, освещения 3 и вывода 4 и опорных стоек с закрепленным на них газораспределительным коллектором 10. По трубопроводу 17 осуществляется подвод суспензии хлореллы в секцию ввода, где формируется пленка суспензии посредством щелевых распределителей, коаксиально вставленных прозрачные трубки 5. Пленка стекает по внутренней поверхности трубок. В секции освещения суспензия подвергается воздействию люминесцентной лампы 6 для фотосинтеза OSRAMFluora.
Охлаждение полости внутри секции освещения, осуществляемое всасывающим осевым вентилятором 11 через решетку в стенке фотобиореактора, необходимо для поддержания оптимальной температуры культивирования, а также для лучшей абсорбцией диоксида углерода пленкой суспензии.
Секции фотобиореактора разделены горизонтальными перегородками, имеющими отверстия под прозрачные трубки и снабженные уплотнительными резиновыми прокладками для герметизации внутренних полостей. При достижении суспензией верхнего заданного уровня, определяемого с помощью средства визуального контроля (рис. 2.4), открывают вентиль в нижней части реактора, и суспензия выводится во внешний трубопровод, включающий в себя контур рециркуляции, а также линии подачи, отвода и слива. Перемещение суспензии хлореллы по контуру рециркуляции или ее слив, в зависимости от положения трехходового вентиля, производится циркуляционным насосом 12 марки WILO-Star-RS 25/2 с регулируемой мощностью (табл. 2.4). Редуктор углекислотный УР-6-6:максимальная пропускная способность, м3/ч максимальное давление газа на входе, мПа максимальное рабочее давление, мПа габариты, мм масса, кг 50201,25170x140x1401,2 Процесс осуществлялся следующим образом (рис. 2.6). Включали люминесцентную лампу 6 и вентилятор 9. Затем нагнетали давление воздуха и СОг в компрессоре 16 и баллоне 17, и при достижении необходимых значений открывали краны на смесителе 18. Таким образом начиналась подача газовоздушной смеси в прозрачные цилиндрические трубки и в барботер. Диаметр труб для подвода углекислого газа и воздуха к биореактору составляет 8 мм.
Технологическая схема экспериментальной установки: 1 - фотобиореактор; 2 - секция ввода; 3 - секция освещения; 4 - секция вывода; 5 - прозрачные трубки со спиралью; 6 - люминесцентная лампа; 7 - щелевые распределители; 8 - отражатель; 9 - вентилятор; 10 - решетка; 11 - угловые трубки; 12 - барботер; 13 - уровнемер; 14 - емкость для приготовления исходной суспензии; 15 — емкость для сбора готовой суспензии; 16 - компрессор; 17 - углекислотный баллон; 18 - смеситель газов; 19-21 вентили; 22 - трехходовой вентиль; 23 - насос; 24 - шкаф управления. FI - расходомер; LI - уровнемер; РІ - манометр.
Далее газовоздушная смесь подавалась из смесителя в распределительный коллектор (не показан), где делилась на семь потоков (шесть из них направлялось в прозрачные трубки 5 посредством угловых трубок 11, а один - в барботер 12). Отвод газовоздушной смеси осуществлялся через полые щелевые распределители 7 и штуцер в верхней части секции вывода 2.
Пленка стекала по внутренней поверхности цилиндрических трубок и контактировала с противотоком газовоздушной смеси, абсорбируя из нее углекислый газ. Первоначальный вариант распределителя был изменен, так как равномерность формирования пленки по трубкам нарушалась при отклонении корпуса реактора от перпендикулярного положения, закрепление устройств на трубках было неустойчивым, и они могли смещаться потоком воды. Кроме того, этот вариант не обеспечивал гашения пены, образующейся при работе циркуляционного насоса.
При необходимости производился слив небольшого количества суспензии с целью контроля ее готовности по оптической плотности через вентиль 21. Основной поток суспензии направляется насосом при ее недостаточной оптической плотности в контур рециркуляции, а при готовности суспензии -в технологическую емкость 15 с помощью трехходового вентиля 22.
В реакторе предусмотрено охлаждение внутреннего пространства секции освещения для компенсации теплового эффекта лампы: в стенке секции предусмотрена установка всасывающего осевого вентилятора 9. Воздух из окружающего пространства засасывался через решетку 10, омывал трубки, лампу и внутренние стенки секции и выводился наружу через вентилятор.
Исследование процесса гранулирования комбикормов с вводом суспензии хлореллы
Гранулирование комбикормов с вводом суспензии хлореллы осуществляли по влажному способу. Увлажнение рассыпного комбикорма проводили в смесителе УЗ-ДСП-0,02 (табл. 3.5). В результате был получен комбикорм с влажностью 16,8...20,4 %, направлявшийся в пресс-гранулятор Б6-ДГВ/1.
Наличие крошки (проход через сито с диаметром отверстий 2 мм) снижалось с 12 до 4 % по мере увеличения количества вводимой суспензии. При вводе суспензии хлореллы в дозе 11... 14 % полученные гранулы соответствовали ГОСТ Р 51899-2002, в дозе 8...10 % — содержание крошки в гранулах превысило допустимое стандартом (10 %), что свидетельствовало о недостаточности увлажнения комбикорма для эффективного гранулирования. При увеличении времени контакта суспензии с комбикормом наблюдался рост его пластичности, что положительно сказалось на повышении прочности гранул. Оптимальное время контакта на стадии смешивания — 1... 1,5 мин.
Таким образом, было выявлено, что гранулирование комбикорма с вводом суспензии хлореллы в количестве 8... 14 % можно осуществлять по влажному способу с использованием двухвального лопастного смесителя периодического действия УЗ-ДСП-0,02 и пресса-гранулятора ДГ-І с последующей сушкой полученных гранул в охладителе ДГ-П, разделённом в соотношении 2:1 на зоны сушки и охлаждения. Оптимальная доза ввода суспензии хлореллы в комбикорма составила 11%, так как при этом были получены стандартные по влажности комбикорма с наибольшей механической прочностью.
Хранение выработанных комбикормов осуществлялось в производственных условиях (склад напольного хранения) в бумажных мешках по 30 кг на группу при температуре 18.. .20 С и относительной влажности воздуха 65.. .70 %. Комбикорм ПК-5 был заложен на хранение в виде крупки с 8... 12 % суспензии хлореллы. Изменение показателей качества комбикормов представлено в табл. 3.6.
В крупке с вводом 12 % суспензии вследствие влажности, превышающей требования стандарта, отмечено более высокое содержание грибной и бактериальной микрофлоры. Увеличились кислотное число жира и общая кислотность, что свидетельствует о нестабильности данной партии комбикорма при хранении. Влажность крупки с вводом 11 % суспензии была близка к предельной, допустимой стандартом, поэтому через месяц хранения её показатели качества были несколько хуже, чем у образцов с крупки с 8... 10 % суспензии. Все партии комбикорма, заложенного на хранение, оставались нетоксичными в течение периода испытаний.
Таким образом, комбикормовую крупку с вводом суспензии хлореллы в количестве 8... 11 % нельзя хранить более 1 месяца в обычных условиях. Поэтому требуются дальнейшие изыскания по улучшению условий сохранности полученных комбикормов (охлаждаемые склады, вентилируемые бункера).
Ввод суспензии хлореллы в рассыпной комбикорм приводил к ухудшению его технологических свойств: с увеличением ее количества возрастала слеживае-мость комбикорма, он становился трудносыпучим, ухудшалось транспортирование. Рассыпные комбикорма с вводом 8... 14 % и крупку с 12... 14 % суспензии целесообразно производить на предприятиях, прилегающих к птицеводческим комплексам, при ежедневном скармливании. Для улучшения технологических свойств продукта его необходимо подвергать «влажному» гранулированию.
Суспензия микроводоросли Chlorella vulgaris представляет интерес как кормовое средство с точки зрения ее положительного влияния на состояние здоровья птицы, ее продуктивность, воспроизводительные функции и на качество получаемой от нее продукции [12, 13]. Водоросль обладает мощным лечебно-профилактическим эффектом, направленным на повышение плодовитости, получение здорового молодняка и его сохранность. Это связано с укреплением иммунного статуса организма, повышением его резистентности. Chlorella vulgaris является источником ряда жизненно важных витаминов и микроэлементов, которые не вносят в комбикорма с премиксами [71].
Задачей совершенствования технологии является разработка способа приготовления комбикорма с включением участка биосинтеза в распространенную технологическую схему с интенсификацией процесса культивирования и вводом в комбикорм биомассы хлореллы, получаемой в реакторе, а также улучшение качества готовой продукции и повышение степени энергосбережения.
Разработанный способ [79, 81, 138, 139], предназначенный для промышленного производства комбикормов (рис. 4.1), осуществляется следующим образом. Исходную смесь, содержащую инокулят микроводоросли, минеральные соли и смесь воздуха с углекислым газом, подают в реактор, равномерно освещаемый источником света 3. В реакторе осуществляют культивирование микроводоросли и поддержание ее температуры на уровне 18...20 С с помощью воды, охлажденной в испарителе абсорбционной холодильной машины (АХМ) и подаваемой насосом 13 в рубашку водяного охлаждения 2.
