Вибрационная установка винтового типа непрерывного действия производительностью 3,5 т/сут (рис. 5.6.) состоит из рамы 1, бункера для отрубей 2, стерилизатора 5, вибростерилизатора 3 и четырех последовательно соединенных герметизированных вертикальных вибрационных конвейеров лоткового типа 7. Собственно растильной частью установки являются первые три конвейера, составляющие соответственно первую, вторую и третью зоны роста. Четвертый конвейер предназначен для сушки культуры. Каждый виброконвейер снабжен индивидуальным приводом 8 с дебалансовыми вибраторами, трубопроводами 9,10 и 11 для подачи среды соответственно на второй, третий и четвертый конвейеры.

Стерильная засеянная питательная среда из вибростерилизатора 3 поступает в приемный лоток 6 первого виброконвейера и под влиянием виброимпульсов, сообщаемых желобу от вибропривода 4, перемещается снизу вверх. Из верхнего лотка первого виброконвейера среда по трубе поступает в нижний приемный лоток второго виброконвейера. Конструктивно второй виброконвейер отличается от первого только тем, что лотки его снабжены водяной рубашкой для отвода теплоты, выделяемой в период активного роста культуры. Для отвода продуктов жизнедеятельности микроорганизмов во второй виброконвейер подается кондиционированный воздух. Из верхнего лотка второго виброконвейера среда поступает по трубе в нижний приемный лоток третьего виброконвейера, устройство которого аналогично первому.

Рис. 5.6. Вибрационная установка винтового типа непрерывного действия

Скорость движения среды по лоткам виброконвейеров составляет 2...3 мм/с, а диаметр и число витков всех виброконвейеров рассчитаны так, чтобы среда находилась в непрерывном движении в течение всего процесса роста. Из верхнего лотка третьего виброконвейера выращенная культура гриба по трубе поступает в нижний приемный лоток четвертого конвейера на сушку. Устройство этого виброконвейера идентично второму, но в рубашку лотков подают воду температурой 70°С и допол­нительно подводится воздух температурой 70...80°С. Выращенная и высушенная культура гриба выгружается, а воздух после бактериальной очистки удаляется.

Стерильный кондиционированный воздух, необходимый для аэрации в количестве 500...1800 м³ на 1 т культуры, подается кондиционером.

Рис. 5.7. Ферментатор с механическим перемешиванием барботажного типа

Ферментаторы с механическим перемешиванием барботажного типа широко применяются для стерильных процессов выращивания микроорганизмов продуцентов биологически активных веществ. Ферментатор (рис. 5.7.) такого типа представляет собой вертикальный аппарат цилиндрической формы, изготовленный из стали Х18Н10Т или биметалла с эллиптическими крышкой и днищем. Отношение высоты к диаметру равно 2,6 : 1. На крышке аппарата расположен привод перемешивающего устройства, состоящий из электродвигателя 7, редуктора 2, муфты 3, подшипника 4 и сальника 5. Здесь же установлены штуцеры для загрузки питательной среды и посевного материала 18, подачи и вывода воздуха 19, смотровые окна, люки для погружения моющей механической головки; предохранительный клапан.

Для выгрузки культуры в днище аппарата предусмотрен спускной штуцер 16. Внутри корпуса 7 проходит вал 6 с закрепленными на нем перемешивающими устройствами, состоящими из закрытых турбин 8. Барботер 13 соединен с трубой 11 для подвода воздуха и выполнен в виде разборного ромба из перфорированных труб. В верхней его части расположены в шахматном порядке 2000...3000 отверстий. Вал 6 и перемешивающие устройства 8, 12, 14 с муфтами 10 и 15 приводятся во вращение от мотор-редуктора 2.

Ферментатор оборудован рубашкой 17, состоящей из 6...8 ярусов-секций. Каждая секция состоит из 8 навитых опоясывающих каналов, выполненных из уголкового профиля. Площадь поверхности охлаждения рубашки 60 м², внутренняя поверхность которой состоит из змеевиков 9 диаметром 600 мм и общей высотой 2,4 м

Ферментатор рассчитан для работы под избыточным давлением 0,25 МПа и стерилизации при 130...140 °С, а также для работы под разрежением. В процессе выращивания микроорганизмов давление внутри ферментатора в пределах 50 кПа; расход стерильного воздуха до 1 м³/(м³∙мин). Высота столба жидкости в аппарате 5...6 м при высоте аппарата более 8 м.

Для обеспечения стерильности процесса предусмотрены торцевые уплотнения вала перемешивающего устройства с паровой защитой. Торцевые уплотнения рассчитаны для работы при давлении до 0,28 МПа и остаточном давлении не ниже 2,7 кПа, температуре 30.. .250 °С и частоте вращения вала до 500 мин^-1. С помощью торцевых уплотнений удается практически полностью предотвратить утечку среды или попадание воздуха в полость аппарата в месте вывода вала.

Расчет производительности и энергозатрат. Коэффициент заполнения ферментатора питательной средой в зависимости от состава среды и вида выращиваемого микроорганизма составляет k=0,5…0,65. Рабочий объем аппарата V_P (м³) рассчитывается по формуле


где: V_об – общий объем аппарата.

Зная время рабочего цикла τ_Р, определяют производительность G (м³/с)

При работе мешалки для перемешивания растущей культуры без учета влияния вспомогательных устройств потребная мощность N_M (кВт)

где: K_N – критерий мощности, характеризующийся числом Рейнольдса; m – число мешалок.

Расчетная мощность на валу мешалки N_p (кВт) равна

где: k₁ – коэффициент заполнения аппарата; k₂ – коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности на преодоление сопротивления растущей культуры (k₂ = 1,1); k – коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности на преодоление сопротивления.
Контрольные вопросы

1. 
   На какие признаки базируется систематизация процессов пищевой биотехнологии?
   
2. 
   Какие процессы называются биохимическими, а какие микробиологическими?
   
3. 
   Почему изменяется скорость биохимического процесса на разных стадиях?
   
4. 
   Как влияет температура на скорость ферментативных процессов?
   
5. 
   Какова кинетика изменения численности и массы микроорганизмов на разных стадиях микробиологического процесса?
   
6. 
   Что положено в основу классификации оборудования для солодоращения и культивирования микроорганизмов?
   
7. 
   Как устроено оборудование, рассмотренное в данном разделе?
   
8. 
   Каков принцип действия оборудования, рассмотренного в настоящем разделе?
   
9. 
   Составить тепловой баланс для каждой единицы оборудования представленной в данном разделе?
   
10. 
    Как рассчитать теплоту, затраченную на стерилизацию дрожжевого затора?
    
11. 
    Чем ферментатор отличается от биореактора?
    

5.2. Оборудование для спиртового брожения

пищевых сред
Изучить самостоятельно [2, с. 1051…1054]:

1. 
   Научное обеспечение процесса брожения пищевых сред
   
2. 
   Классификация оборудования
   

5.2.1. Аппараты для брожения и дображивания пива
Спиртовое брожение сахаров сусла под действием ферментов дрожжей является основным процессом в производстве пива. Главное брожение и дображивание пива осуществляется в основном по двум схемам: по периодической – с разделением процесса брожения на главное брожение и дображивание, а также по ускоренной – с совмещением главного брожения и дображивания в одном цилиндроконическом бродильном аппарате.

Способ непрерывного брожения пива заключается в перемещении с определенной скоростью сбраживаемого сусла и молодого пива в системе, соединенных между собой бродильных аппаратов и аппаратов для дображивания при непрерывном притоке свежего сусла в головной бродильный аппарат и оттоке пива из последнего аппарата.

Необходимая концентрация дрожжей в сбраживаемом сусле обеспечивается непрерывным поступлением дрожжей в головной аппарат системы из дрожжегенератора и дополнительным размножением дрожжей в аппаратах брожения. Перед перекачиванием молодого пива на дображивание часть дрожжей отделяется на сепараторе.

Бродильный аппарат типа ЧБ-15 используется для главного брожения сусла и представляет собой герметический прямоугольный сосуд, внутри которого имеется охлаждающий змеевик для отвода теплоты, выделяющейся при брожении. Горизонтальный цилиндрический танк Б-604 также предназначен для главного брожения пивного сусла под давлением. Танки типов ТЛА и TAB применяются для дображивания молодого пива или для хранения готового пива и представляют собой горизонтальный и вертикальный цилиндрические аппараты со сферическими днищами.

Все бродильные аппараты снабжены соответствующей арматурой для отвода диоксида углерода, выделяющегося во время спиртового брожения. Бродильные аппараты, используемые для главного брожения, изготовляют открытого или закрытого типа, последние обеспечивают стерильность сусла при брожении и возможность отбора диоксида углерода для дальнейшего его использования.

Бродильный аппарат ЧБ-15 (рис. 5.8) представляет собой герметический прямоугольный сосуд с закругленными углами стенок и днища. Внутри аппарата имеется змеевик 1, по которому через отверстие 7 поступает рассол или охлажденная вода. Аппарат имеет патрубок 2 для сусла, пробку 3 для слива остатков сусла, люки 4 и 5 для мойки аппарата и патрубок 6 для отвода диоксида углерода.

Аппараты подлежат обязательному защитному покрытию эпоксидными смолами, спиртово-канифольным лаком, применяются полиэтиленовые покрытия и др.

Прямоугольные бродильные аппараты наиболее полно используют помещение бродильного цеха, заполняя всю его площадь, за исключением необходимых для обслуживания проходов. Полезная высота чанов обычно принимается до 2 м.

Рис. 5.8. Бродильный аппарат ЧБ-15

Танки Б-604 (рис. 5.9), предназначенные для главного брожения пивного сусла под давлением. Аппарат главного брожения представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд 1 со сферическими днищами, установленный на четырех опорах. Сверху аппарат имеет воздухоотводящую трубку 5, служащую для контроля за процессом брожения сусла. На одном из днищ имеются люк 3 с крышкой и кран 2 для подачи и спуска сусла Внутри танка располагается охлаждающий змеевик 6. Для отвода углекислого газа имеется специальная арматура 4.

Танки для брожения типа Б-604 изготовляются вместимостью 8...50 м³.

Рис. 5.9. Аппарат главного брожения пива Б-604

Танки лагерные типа ТЛА предназначены для дображивания, осветления молодого пива и хранения фильтрованного пива под давлением до 0,07 МПа и по конструкции аналогичен аппарату Б-604 (рис. 5.9). При соответствующем покрытии внутренних поверхностей танков допускается хранение в них сахарного сиропа, вина и молока.

Танки для дображивания типа ТЛА изготовляются вместимостью 8...80 м³. Кроме горизонтальных танков для дображивания молодого пива изготовляют вертикальные типа ТЛА вместимостью 4...9 м³.

Для изготовления бродильных аппаратов и танков для дображивания кроме углеродистой листовой стали применяют листовой пищевой алюминий марок А0 и A5 с содержанием примесей не более 0,5 %, кислотостойкую сталь марки XI8Н10Т.

Поверхность аппарата из алюминия и нержавеющей стали не покрывается защитными покрытиями и легко очищается от загрязнений. Алюминиевые аппараты при установке на чугунные опоры должны иметь надежную изоляцию во избежание разрушения алюминия из-за возникающего электрохимического процесса между металлами.

Способ ускоренного получения Жигулевского пива в цилиндроконических бродильных аппаратах (ЦКБА) (рис. 5.10) состоит в том, что в одном сосуде большого объема (от 100 до 1500 м³ и более) с суточным заполнением его суслом (8...9 °С) и дрожжами совмещают две ступени: главное брожение и дображивание (как по способу Натана), которые продолжаются в течение 14 сут вместо положенных 28 для Жигулевского пива. Аппарат снабжен термометром сопротивления 1, моющей головкой 2, краном для отбора 3, местом для крепления шпунт-аппарата 4, гидрозатвором 5. С первым осветленным суслом (первая варка) в коническую часть задают все семенные сильносбраживающие дрожжи (300 г на 1 гл сусла, влажность 75 %). Вначале 50 % сусла аэрируют стерильным воздухом, что обеспечивает содержание 4...6 мг 0₂/мл сусла.

Рис. 5.10. Цилиндроконический бродильный аппарат

В течение первых двух суток поддерживается температура брожения от 9 до 14 °С, которая сохраняется до достижения видимой конечной степени сбраживания. Температура регулируется тремя поясами выносных наружных рубашек с хладагентом, охлажденным не более чем до минус 6 °С. При достижении содержания сухих веществ в пиве 3,5...3,2 % аппарат шпунтуется при избыточном давлении. Окончание брожения определяют по прекращению дальнейшего снижения массовой доли сухих веществ в пиве в течение 24 ч. Обычно на пятые сутки достигается конечная массовая доля 2,2…2,5 % сухих веществ. После этого хладагент подают в рубашку конуса для охлаждения и образования плотного осадка дрожжей при температуре 0,5…1,5 ⁰С. В цилиндрической части температура 13…14⁰С сохранятся в течение 6…7 сут. Эта же температура способствует восстановлению диацетила в ацетоин. Затем температура пива (0,5…1,5 ⁰С) выравнивается рубашками во всей цилиндрической части ЦКБА. При этом шпунтовое давление в ЦКБА поддерживается равным 0,05…0,07 МПа в течение 6…7 сут. Через 10 сут с начала брожения проводят первый съем дрожжей из штуцера конической части ЦКБА. Перед осветлением пива проводят второй съем дрожжей, а затем пиво подают на сепарирование и фильтрование. Дополнительное охлаждение готового пива (2 ⁰С) в сборниках проводят при 0,03…0,05 МПа, выдерживают в течение 12…24 ч и разливают. С использованием ЦКБА выпускают пиво с массовой долей сухих веществ в начальном сусле 11,12 и 13 %.

Таким образом, в процессе брожения в ЦКБА, благодаря большому единичному объему аппарата, совмещению главного брожения и дображивания в одном сосуде, использованию повышенных температуры брожения и объема посевных дрожжей, продолжительность процесса сокращается примерно в два раза.

Наиболее экономично проводить брожение и дображивание пива ускоренным способом в одном цилиндроконическом бродильном аппарате, изготовленном из нержавеющей стали с полированной внутренней поверхностью.

Этот аппарат имеет четыре охлаждающие рубашки в цилиндрической части и одну в конической (табл. 5.1).

Таблица 5.1.

Показатель	Ш4-ВЦН-30	Ш4-ВЦН-50	Р3-ВЦН-95
Вместимость, м3: полная рабочая Площадь поверхности охлаждения, м2 Масса,кг	30 25,5 17,4 5380	50 42,5 23,2 6490	95 80 44,3 11890

Примечание. Для всех марок давление в аппарате по 0,7 МПа, в рубашках по 0,4 Па, температура хладагента -8 ⁰С.

Расчет производительности и энергозатрат. При сбраживании 1 кг мальтозы выделяется 613,8 кДж теплоты. Следовательно при главном брожении из 1 м³ сусла выделяется теплоты Q₁= 42960 кДж/м³. Наряду с этой теплотой из 1 м³ молодого пива, при его охлаждении в период дображивания, необходимо отобрать в среднем теплоту Q₂ = 10470 кДж/м³. Таким образом за 12…13 суток брожения и дображивания в одном цилиндроконическом аппарате от 1 м³ сбраживаемого пива через охлаждающую поверхность передается теплоты
кДж/м³,
Производительность аппаратов для брожения и дображивания пива рассчитывают по формулам:

–– для главного брожения

,
–– для доброжения и выдержки

.
–– для ускоренного брожения пива в ЦКБА

где: - число рабочих суток работы аппаратов в месяц (); - вместимость бродильных аппаратов, дал; - коэффициент заполнения бродильных аппаратов (); - продолжительность главного брожения, дображивания и ускоренного брожения, сут; - коэффициенты потерь молодого пива при главном брожении, дображивании и ускоренном брожении ().
5.2.2 Оборудование для сбраживания сусла

при производстве спирта
Изучить самостоятельно [2, с. 1061…1062]:

1. 
   Основные способы сбраживания сусла и их характеристики
   

Бродильный аппарат (рис. 5.11) представляет собой цилиндр с коническим днищем, изготовленный из стали толщиной 6...8 мм. Сусло в нем сбраживается под действием ферментов дрожжей. Внутри аппарата смонтирован змеевик 1 из стальных труб диаметром 51 ...76 мм для отвода теплоты, выделяющейся при брожении массы. Масса подается через штуцер 4, дрожжи — через штуцер 3. Углекислота, выделяющаяся при брожении, отводится через патрубок 5.Для осмотра и ремонта аппарат снабжен люками 2 и 10. За процессом брожения наблюдают через смотровое окошко 8 с помощью светильника 7. Термометры устанавливают в гильзы 9. К штуцеру 6 подключают гидрозатвор, который предотвращает образование вакуума при пропаривании аппарата паром. При непрерывно-проточном способе брожения на переточных трубах устанавливают дисковый затвор, с помощью которого аппарат отключается от батареи для мойки и дезинфекции. Конструкция затвора предотвращает застой бражки, что обеспечивает стерильность процесса брожения.

Механизированная мойка аппарата водой и рас

Рис. 5.11. Бродильный аппарат

творами антисептиков осуществляется с помощью

моечного аппарата. Аппарат состоит из распределительной головки и двух коллекторов (рис. 5.11), снабженных соплами. Коллекторы изготовлены из труб диаметром 50...76 мм. На коллекторах укреплены сопла 1 таким образом, чтобы выходящая из них жидкость, омывала всю поверхность аппарата, включая верхнюю крышку и змеевик.

Тепловая нагрузка на один аппарат в период главного брожения Q (Вт)

где Q₁ - общее количество теплоты, выделяемой в течение 1 ч в период интенсивного главного брожения (этому периоду соответствует снижение концентрации сухих веществ в бражке на 1%; при сбраживании 1 кг мальтозы выделяется 171 Вт); Q₂ - потери теплоты в окружающую среду стенками аппарата; Q₃ - потери теплоты за счет испарения и уноса углекислоты (условно принимаем Q₃ = 0,06 Q₁).

5.2.3 Аппараты для сбраживания сусла

при производстве вина
Вина получают спиртовым сбраживанием соков. В современном виноделии применяют три основных способа брожения сусла: стационарный, доливной и непрерывный.

По окончании брожения и осветления полученное молодое вино снимают с дрожжевого осадка и направляют на выдержку или специальную обработку.

Приготовление вина связано с жизнедеятельностью дрожжей, их развитием и обменом веществ. Одним из основных факторов, ограничивающих рост дрожжей, является концентрация этилового спирта. При этом брожение ведется в анаэробных условиях, а одним из важнейших факторов является температура. Она зависит от количества выделяющейся при брожении теплоты, от потерь теплоты за счет теплоотдачи через стенки резервуаров и от температуры окружающего воздуха. Так, время, необходимое для полного выбраживания сахара при 20.. .22°С, составляет в среднем 5...6 сут, при 14...18 °С - 9...10 сут.

Стационарный способ брожения сусла состоит в том, что определенный объем сусла сбраживается с начала до конца в одном резервуаре.

Доливной способ брожения сусла отличается тем, что процесс идет не в постоянном объеме исходного сусла, а при периодических доливах новых его порций. В этих условиях бродящая среда периодически пополняется питательными веществами, концентрация продуктов брожения уменьшается и температура бродящего сусла понижается. Такой способ обеспечивает возможность проведения процесса в крупных резервуарах без принудительного охлаждения.

Способ непрерывного брожения сусла основан на ведении процесса в условиях регламентированного потока бродящего сусла. Для осуществления этого процесса применяют установки типа БА-1, ВБУ-4Н, ВКМ-5, УНС-Э и др.

Установка непрерывного брожения сусла БА-1 (рис. 5.12) производительностью 700 дал/сут представляет собой батарею из шести бродильных резервуаров 4, оснащенных рубашками 5, вместимостью по 2 тыс. дал, пяти переливных баков 10 вместимостью по 190 дал и одного сливного бака 17.

В верхней части бродильные резервуары соединены между собой переливными трубами 12 для заполнения установки и выравнивания уровня бродящего сусла во всех резервуарах. Все бродильные резервуары снабжены гидравлическими клапанами 11 со сливными трубами 13. Переливные баки 10 в верхней части соединены между собой газовыми трубами 14 для прохождения диоксида углерода и трубами с соленоидными вентилями 15 для автоматического вывода диоксида углерода и понижения давления в резервуарах установки. Отвод диоксида углерода осуществляется по трубе 18.

Бродильный резервуар 4 (I) оснащен поплавковым реле 6 с контактами 7 для включения и выключения насоса 3, подающего исходное сусло через обратный клапан 2 и кран 7, снабженных трубными крестовинами 16, соленоидными вентилями 15. Сливной бак 17 оснащен трубой для отвода виноматериала 19 из установки.

При вводе установки в работу сначала открывают кран 1 и вентиль 15 (все остальные закрыты). Резервуар 4 (I) заполняют суслом до уровня переливной трубы 12. Затем вводят дрожжевую разводку. После сбраживания 5.. .6 % сахара подачу сусла в резервуар 4 (I) возобновляют. Светлое сусло вытесняет бродящее из этого резервуара в следующий резервуар и т.д. Скорость подачи исходного сусла должна соответствовать времени заполнения всех бродильных резервуаров в течение 2.. .3 сут в зависимости от скорости брожения.

Если в резервуаре 4 (VI) виноматериал имеет концентрацию сахара 3…5 %, установку переводят на непрерывный процесс брожения при периодическом движении продукта. Для этого закрывают вентили 15, открывают кран на трубе 19 и включают систему автоматического регулирования подачи исходного сусла и отвода диоксида углерода.

Рис. 5.12. Принципиальная схема установки БА-1 для непрерывного брожения сусла

Во всех бродильных резервуарах происходит брожение сусла. Выделяющийся диоксид углерода накапливается в верхней части и создает давление, которое одинаково во всех резервуарах, так как они соединены между собой трубами 8. В результате повышения давления происходит подъем бродящей массы из бродильных резервуаров по трубам 9 в переливные баки 10.

Давление и уровень жидкости во всех бродильных резервуарах одинаковы и поэтому в переливные баки 10 поступает одинаковое количество бродящей массы. Из последнего — бродильного — резервуара 4 (VI) виноматериал поднимается в сливной бак 17, а так как кран на трубе 19 открыт, виноматериал из него направляется по сливной трубе 20 в винохранилище для дображивают и отстаивания.

Производительность установки непрерывного сбраживания сусла при производстве вина часовую П_ч (дал/ч) и суточную П_с (дал/сут) рассчитывают по формулам


где: V_П - полезная вместимость головного бродильного аппарата, дал; С₁ - сахаристость сусла, поступающего на сбраживание, %.

Холодильные установки подбираются из расчета количества теплоты, которую необходимо отвести, за вычетом теплоты, теряемой через стенки аппарата в окружающую среду, а также теплоты, уносимой диоксидом углерода и водно-спиртовыми парами, которые выделяются за 1 ч наиболее активного сбраживания сусла.

<предыдущая страница | следующая страница>