Введение к работе
Актуальность работы. Широко развернувшиеся в последние годы экспортно-импортные связи, создание совместных промышленно-произ-зддетвенных предприятий, научно-исследовательских фирм в пределах Злижнего и дальнего зарубежья, а также внутрироссийские торговые этношения значительно обогатили ассортимент плодовых и растительных культур, используемых в качестве сырья для пищевой, сельскохозяйственной и перерабатывающей промышленности. Наличие большого количества некондиционного плодового и другого растительного сырья, не используемого или не эффективно используемого, характерно не только для России и стран СНГ, но и для многих стран дальнего зарубежья. В то же время отходы переработки и некондиционное плодовое сырье представляет собой натуральный ресурс, содержащий ценные элементы и прекрасный исходный материал для ряда важных в народном хозяйстве производств, основанных на микробиологическом синтезе.
Изучение мировой научно-технической и патентной информации показало, что наиболее рациональным представляется использование этих отходов для производства натуральных пищевых кислот (уксусной, лимонной, молочной) и ароматизаторов. Решение данной проблемы путем создания нетрадиционной технологии, основой которой является применение достижений современной биотехнологии, обеспечивает качественный скачок в технологии переработки сельскохозяйственного растительного сырья и производства продовольствия и соответствует мировым тенденциям развития науки и техники. Поэтому проблема разработки передовой технологии производства уксусной кислоты, основанной на микробиологическом синтезе, позволяющей перейти ог использования дорогого пищевого сырья высокого качества к переработке дешевых отходов на основе растительного сырья и некондиционных плодов, весьма актуальна.
Работа выполнялась в рамках государственной научно-технической программы "БИОТЕХНОЛОГИЯ" (1993-1998 гг.), а также Международного проекта "БИОКОНВЕРСИЯ-2000" "Разработать безотходные производства по комплексной переработке растительного сырья в этанол, уксус, крахмалопродукты и высокоэффективные концентрированные корма".
Цель работы: научное обоснование и создание нетрадиционной технологии производства натуральной пищевой уксусной кислоты (УК) высокого качества биотехнологическим способом из отходов переработки плодового сырья и некондиционных плодов; на этой основе разработка и
оптимизация 2-х аппаратурно-технологических схем получения пищевого уксуса: 1) глубинная непрерывная схема; 2) поверхностная периодическая циркуляционная схема. В основе решения данной проблемы лежит стратегия системного анализа сложных биотехнологических процессов, предусматривающая комплексное решение проблемы, начиная с клеточного уровня микроорганизмов продуцентов и кончая разработкой промышленного аппаратурно-технологического оформления.
Научная новизна. На основе системного подхода к анализу сложных биогехнологических процессов построена оригинальная математическая модель кинетики уксуснокислого брожения глубинным способом, включающая следующие составные части: 1) ферментативное превращение глюкозы в этанол с учетом брожения, идущего по 2-м маршрутам - превращение глюкозы в лактат и превращение глюкозы в этанол и CCh в дрожжевых клетках; 2) ферментативный гидролиз целлюлозы; 3) ферментативный гидролиз крахмала; 4) ферментативное превращение этанола в уксусную кислоту в присутствии уксуснокислых бактерий (УКБ) Asetobacter. Данная общая кинетическая схема уксуснокислого брожения представлена в компактном виде, после чего использование соотношений Михаэлиса-Ментен позволило получить математическую модель кинетики в виде 3-х дифференциальных уравнений, удобных для использования при построении математических моделей промышленных вариантов схем биосинтеза.
Построены математические модели лабораторной и опытно-промышленной установок получения УК глубинным непрерывным методом. Определены параметры математических моделей и доказана их адекватность. С помощью машинного моделирования с использованием разработанной математической модели найдены оптимальные параметры промышленной технологической схемы производства УК непрерывным глубинным способом, состоящей из 4-х ферментеров.
Уточнены параметры процесса культивирования при получении УК из отходов переработки растительного сырья и некондиционных плодов поверхностным циркуляционным способом на опытной установке: оптимизирован состав питательной среды; разработан режим ведения и поддержания в активном состоянии посевного материала; уточнен режим обработки и очистки ферментационных растворов, полученных циркуляционным способом.
Методами активного планирования эксперимента разработана математическая модель ферментационных процессов, протекающих при производстве УК поверхностным циркуляционным способом, найдены оптимальные условия проведения процесса и разработана аппаратурно-технологическая схема опытно-промышленной установки.
Практическая значимость. На основе выполненных, теоретических и
экспериментальных исследований разработаны аппаратурно-
технологические схемы промышленного производства натуральной пищевой УК путем биохимической переработки растительного сырья и некондиционных плодов двумя прогрессивными способами: 1) непрерывным глубинным способом; 2) непрерывным поверхностным циркуляционным способом.
Перевод промышленного производства пищевого натурального уксуса на оптимальные непрерывные способы производства позволяет: 1) повысить производительность технологических линий ферментеров на 10-15% и увеличить съем УК с единицы рабочего объема аппарата на 5-8% против установленной нормы; 2) повысить производительность поверхностных циркуляционных окислителей на 25-30% и увеличить съем УК с единицы объема стружки на 15-20% против установленной нормы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обоснована автором теоретически па базе глубокого анализа современных
подходов к математическому моделированию кинетики
микробиологических процессов, проверена экспериментально на лабораторных установках ВНИИПБТ (г.Москва) и подтверждена в полупромышленных и промышленных условиях на Балашихинском экспериментальном птицекомбинате пищевых кислот (Моск. обл.).
Апробация работы. Отдельные положения выполненного исследования были изложены в докладах, предоставленных на Международной конференции по кибернетике и системному анализу химико-технологических процессов и комплексов (г.Москва, 1993 г.); Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (г.Новомосковск, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложения. Рабога содержит 242 страницы машинописного текста, 41 рисунок и 28 таблиц. Список использованной литературы содержит 114 наименований.