Реферат
Расчётно-пояснительная записка содержит 34с., 1 табл., 10 литературных источников.
ДРОЖЖИ, ФЕРМЕНТАЦИЯ, ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙАППАРАТ, ФЛОТАЦИЯ, СЕПАРАЦИЯ, ВАКУУМ-ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА, ШЛАМ, СУСЛО, СУШИЛКА.
Объектом курсового проекта являетсядрожжевой цех по получению белковых кормовых дрожжей.
Цель работы – расчет материального балансацеха по получению белковых кормовых дрожжей. Подбор и расчет количестваосновного технологического оборудования.
В курсовом проекте приведен аналитическийобзор литературы, приведено описание технологической схемы цеха по получениюбелковых кормовых дрожжей, приводится обоснование выбора данной схемы,описывается и обосновывается выбор основного технологического оборудования.
В данном проекте приведен материальныйрасчет цеха по получению белковых кормовых дрожжей. Произведены расчетынеобходимого количества основного и резервного оборудования.
Графическая часть включает:
− технологическая схема − 1 листА1;
− изображение вакуум-выпарнойустановки − 1 лист А4.
Введение
В связи с сокращением запасов ископаемогоорганического сырья в последние годы во всем мире уделяется серьезное вниманиевопросам химической и биотехнологической переработки биомассы растительногосырья (фитомассы) – древесины и сельскохозяйственных растений. В отличие отископаемых источников органического сырья запасы фитомассы возобновляются врезультате деятельности высших растений. Ежегодно на нашей планете образуетсяоколо 200 млрд. т. растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтезцеллюлозы – самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и будущем.
В следующем столетии основными видами органическогосырья будут древесина, сельскохозяйственные растения и каменный уголь, в своюочередь имеющий растительное происхождение.
По ориентировочным оценкам мировыеразведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете,однако ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как в результатеестественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервомповышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевыхпродуктов из древесины. В недалеком будущем нас ожидает переход отнефтехимического производства к биохимической и химической переработкедревесины и других видов растительного сырья. Переработка биомассырастительного сырья базируется в основном на сочетании химических ибиохимических процессов.
Под биотехнологией обычно понимаютпромышленный биохимический синтез ценных веществ и переработку продуктовбиологического происхождения. Производственной основой современнойбиотехнологии является микробиологическая промышленность, включающаягидролизные производства. Эти производства основаны на реакции гидролитическогорасщепления гликозидных связей полисахаридов биомассы одревесневшегорастительного сырья с образованием в качестве основных продуктов реакциимоносахаридов, которые подвергаются дальнейшей биохимической или химическойпереработке, либо входят в состав товарной продукции.
Гидролиз растительного сырья – наиболееперспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании сбиотехнологическими процессами позволяет получать кормовые и пищевые продукты,биологически активные и лекарственные препараты, мономеры и синтетические смолытопливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты длятехнических целей.
В настоящее время гидролизная промышленностьзанимает ведущее место в мире по выработке основных видов продукции: кормовыхдрожжей и технического этанола.
Комплексная программа развития гидролизнойпромышленности предусматривает увеличение производства всех видов выпускаемойпродукции за счет: освоения всеми действующими предприятиями проектныхмощностей, введение новых мощностей на ряде действующих предприятий при ихреконструкции, строительства и ввода в эксплуатацию новых предприятий,технического перевооружения предприятий на основе принципиально новой техники итехнологии.
Промышленное производство микробной белковойбиомассы организовано на основе переработки углеводного и углеводородногосырья. Кормовые дрожжи вырабатываются с использованием следующих видовуглеводного сырья: гидролизатов древесины и растительных отходов сельскохозяйственногопроизводства и обесспиртованной барды гидролизно-спиртового производства,сульфитных щелоков и предгидролизатов сульфатно-целлюлозного производства.
Микроорганизмы также культивируют науглеводородном сырье: белково-витаминном концентрате (паприне), полученном привыращивании аспорогенных дрожжей на эмульсии н-парафинов в воде, бактериальноймикробной биомассе (гаприне), выращиваемой на природном газе, пропускаемомчерез ферментатор с культуральной жидкостью.
Кормовую микробную биомассу можно такжеполучить при использовании в качестве сырья окисленных углеводородов, в первуюочередь метанола и этанола.
Кормовые дрожжи вырабатываются наспециализированных гидролизно-дрожжевых заводах производственной мощностью 5-60тыс. т дрожжей в год, а также на заводах спиртодрожжевого,фурфурольно-дрожжевого и ксилитно-дрожжевого профилей.
Белково-витаминные кормовые дрожжи являютсяпродуктом биохимической переработки моносахаридов, получаемых при гидролизеполисахаридов, входящих в состав клеточных стенок различных растительныхотходов.
Гидролизные дрожжи вследствие высокогосодержания в них полноценных, хорошо усвояемых белков, биологически активныхвеществ − витаминов, ферментов, гормонов и микроэлементов применяются вкачестве корма для домашних животных и птиц. Добавка кормовых дрожжей крастительным кормам, богатым углеводами, значительно улучшает их качество иповышает биологическую ценность. Белковые кормовые дрожжи по питательности иусвояемости не уступают кормам животного происхождения. В дрожжах содержится46-55 % белка, который в свою очередь содержит все жизненно необходимыеаминокислоты. В золе кормовых дрожжей содержатся также ценные для животных иптиц макро- и микроэлементы.
Таким образом, кормовые дрожжи, выращенныена гидролизных средах, богаты многими витаминами, входящими в состав различныхферментативных систем и участвующими в белковом и углеводном обмене,окислительно-восстановительных и других биохимических процессах. Содержащиеся вдрожжах ферменты, гормоны и другие продукты микробиологического синтеза играютважную роль в улучшении обмена веществ в организме животных и птиц.
1 Аналитический обзор литературы
1.1 Характеристика сырья
Для химической переработки основное значениеимеет растительная биомасса, продуцируемая в лесах. Общая площадь лесов наземном шаре составляет 3620 млн. га. Мировые запасы древесины во всем миресоставляют 359 млрд. м3. Заготовка древесины во всех странах мира составляетболее 3 млрд. м3. При заготовке древесины в зависимости от типов применяемых рубоквыход деловой древесины составляет 50-85%, дровяной 10-25% и лесосечных отходов15-20% от древесной биомассы. Примерно 30% от заготовленной древесиныиспользуется в народном хозяйстве без переработки, остальная часть направляетсяна лесо- и шпалопиление, в фанерное, спичечное и тарное производство, наполучение древесноволокнистых и древесностружечных плит, в целлюлозно-бумажную,гидролизную и лесохимическую промышленность. Химическими методамиперерабатывают около 15% заготовленной древесины.
В гидролизном производстве в качестве сырьяиспользуют отходы лесопиления и деревообработки, а также низкокачественнуюстволовую древесину, непригодную для механической переработки.
Отходами производства называются остаткисырья, материалов и полуфабрикатов, образующиеся в процессе производствеосновной продукции и утратившие частично или полностью свою потребительнуюстоимость [1].
К кусковым отходам лесопиления идеревообработки относятся горбыли, рейки, отрезки бревен и пиломатериалов.Горбыль − это отпиленная периферийная часть бревна. Рейки получаются приобрезке и раскрое пиломатериалов по ширине, отрезки − при поперечномраскрое. К мягким отходам относятся опилки, стружка и шлифовальная древеснаяпыль. К отходам лесозаготовок, образующимся на лесосеках, верхнем и нижнемскладах, относятся малоценная древесина, отходы кроны, а также пни и корни.
При современных объемах лесозаготовок ипереработки древесины ежегодно образуется около 100 млн. м3 отходов древесины.Используется ежегодно 30 млн. м3 древесных отходов. На распиловку направляетсяболее 30% от общего количества заготовляемой деловой древесины. Общий выходотходов в деревообработке зависит от породы, сортности, размеров и влажностипиломатериалов, характера готовых изделий и равен 20-85% от объема пиломатериалов[3].
На гидролизных заводах перерабатываетсяежегодно около 7 млн. м3 древесины, в том числе примерно 80% древесных отходови около 20% дров. На долю хвойного сырья приходится примерно 60% от общегопотребления древесины. На новых гидролизных предприятиях большойпроизводственной мощности в качестве основного сырья используется щепа,получаемая при измельчении древесинылиственных пород − березы и осины.
Обеспечение сырьем крупных предприятийпредставляет непростую задачу. В
частности, на заводе мощностью 60 тыс. тдрожжей в год потребность в сырье составляет 720 тыс. м3 древесины. Общаяпотребность гидролизной промышленности в древесном сырье составляет около 2% отобщего объема лесозаготовок, т.е. около 8 млн. м3.
На предприятиях дрожжевого, ксилитного ифурфурольного профиля в качестве сырья, помимо древесины, используютрастительные отходы переработки сельскохозяйственного сырья, к которым относятв основном отходы предприятий пищевой промышленности: хлопковую шелуху и лузгусемян подсолнечника − отходы масложировых комбинатов; стержни початковкукурузы, рисовую и гречневую лузгу − отходы крахмалопаточных и крупяныхпредприятий и другие виды сырья.
При химической переработке растительногосырья методом гидролиза основное значение имеет углеводный состав сырья. С этойточки зрения различают два вида сырья: древесину хвойных пород ипентозансодержащее сырье. К пентозансодержещему сырью относят: древесинулиственных пород, отходы ее механической переработки и одубину − отходполучения дубильных экстрактов; растительные отходы переработкисельскохозяйственного сырья; дикорастущие растения; малоразложившийся торф [1].
Пентозансодержащее сырье содержит в 2-3 разабольше пентозанов, чем древесина хвойных пород. Гемицеллюлозы древесины хвойныхпород в основном состоят из галактоглюкоманнанов и арабиноглюкуроноксиланов, вто время как для древесины лиственных пород характерны глюкуроноксиланы. Посуммарному содержанию углеводов древесина хвойных и лиственных пород примерноравноценна. Теоретически возможный выход моносахаридов при гидролизе составляет66-72% от абсолютно сухой древесины. На гидролизно-дрожжевых заводах применимолюбое сырье. Это связано с утилизацией аспорогенными дрожжами как гексозных,так и пентозных сахаров гидролизата.
В практических условиях на переработкупоступают отходы со значительным количеством коры, отличающейся пониженнымсодержанием полисахаридов. Общее содержание полисахаридов в технологическойщепе и древесных опилках составляет 55-65%, в связи с чем выход целевыхпродуктов гидролиза из технического сырья всегда ниже, чем из окореннойдревесины соответствующих пород.
Значительная часть древесины лиственныхпород, поступающей на гидролиз, поражена гнилью. С увеличением степенидеструкции древесины содержание полисахаридов падает. При гидролизе частичнодеструктированной древесины отмечено не только снижение выхода общих РВ, нотакже повышенное содержание в гидролизате редуцирующих веществ неуглеводногостроения. Пониженным содержанием полисахаридов отличается тонкомерная древесиналиственных пород от рубок ухода и лесосечные отходы [2].
С технологической точки зрения основнойособенностью пентозансодержащего или ксилансодержащего сырья являетсявозможность получения достаточно высокого выхода пищевого ксилита и фурфурола,который зависит прежде всего от содержания пентозанов в сырье. Наиболее богатыпентозанами стержни кукурухных початков и хлопковая шелуха, а также овсянаялузга.
Для гидролизного производства важноезначение имеет показатель активной зольности, который обычно выражаютколичеством серной кислоты, взаимодействующей с минеральными компонентамисырья. Зольность древесного сырья обычно составляет 0,2-0,5%, в связи с чемдополнительный расход серной кислоты при гидролизе древесного сырья обычно в2-3 раза ниже, чем при гидролизе растительных отходов сельскохозяйственногопроизводства.
На скорость процессов гидролиза, на составпромежуточных и конечных продуктов влияет не только химический состав сырья, нои его физическая структура, плотность, гранулометрический состав.
1.2 Методы гидролиза
Существует большое разнообразие методов итехнологических приемов гидролиза растительного сырья, что связано созначительным числом факторов, влияющих на кинетику процесса. На скоростьреакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридов иреальный выход моносахаридов оказывают влияние химическая микрокинетика имакрокинетические факторы, которые связаны с технологической характеристикойсырья, с техническими приемами гидролиза и конструкцией оборудования [1].
Из кинетических факторов на процессгидролиза основное влияние оказывают реакционная способность и агрегатноесостояние полисахаридов, активность и концентрация катализатора и температурапроцесса.
При гидролизе растительного сырьяразбавленными кислотами процесс гидролиза легкогидролизуемых полисахаридовначинается в гетерогенных условиях и завершается в гомогенных. Гидролизтрудногидролизуемых полисахаридов протекает в гетерогенных условиях, хотя приэтом не удается определить границу раздела фаз из-за проникновения растворакатализатора в субмикроскопическую структуру клеточных стенок растительногосырья. Повышение удельной поверхности растительного сырья в результате тонкогомеханического размола приводит к росту скорости гидролиза полисахаридов. Однакопри таком размоле может происходить не только увеличение поверхности, но иактивация полисахаридов путем нарушения их надмолекулярной структуры. Переводполисахаридов в раствор повышает их реакционную способность.
При автогидролизе катализатором процессаявляется уксусная кислота, образующаяся в результате реакции деацетилированиягемицеллюлоз.
При классификации методов гидролиза потемпературе выделен способ активации полисахаридов при замораживании (-10 0С),низкотемпературный гидролиз (25-45 0С) концентрированными кислотами, гидролизразбавленными кислотами при повышенной температуре (100-190 0С) ивысокотемпературный гидролиз (200-250 0С). На практике с целью увеличенияскорости процесса гидролиз растительного сырья проводят при повышеннойтемпературе, т.е. используется термический метод подвода энергии икаталитической активации полисахаридов. Наряду с этим в стадии проработкинаходятся механохимический и радиационный методы повышения реакционнойспособности полисахаридов при гидролизе. Все промышленные режимы гидролизаосуществляются в неизотермических условиях.
В химической кинетике выделяют гомофазные игетерофазные процессы. В гомофазных процессах все исходные, промежуточные иконечные вещества находятся в пределах одной фазы; в гетерофазных процессахкомпоненты образуют более чем одну фазу.
Из макрокинетических факторов на выходмоносахаридов основное влияние оказывают диффузионные, гидродинамические игеометрические факторы, а также величина гидромодуля. Если кинетика процессаопределяется скоростью диффузионного сближения реагентов, то реакция протекаетв диффузионной области. В кинетической области скорость процесса определяетсяскоростью химических превращений реагирующих веществ. При гидролиземелкодисперсного сырья скорость диффузионной пропитки гидролизуемых частицраствором катализатора значительно выше скорости гидролиза. Размер частицгидролизуемого сырья влияет как на гидродинамику перколяционного процесса, таки на диффузионные процессы выведения сахаров из зоны реакции [2].
Маломодульный гидролиз обычно поводят привеличине гидромодуля по свободно удерживаемой влаге. К маломодульному можноотнести гидролиз при рабочем запасе жидкости, соответствующем уровню сырья.Перколяционный гидролиз проводят как при коротком гидромодуле (9-12), так и привысоком модуле (14-18).
Процесс гидролиза может проводиться встатических условиях или в потоке. Под статическими условиями в химическойкинетике понимают такие условия, при которых отсутствует принудительный потокреагирующих веществ в заданных направлениях. Основные варианты процессагидролиза проводятся в динамических условиях: перколяционный гидролиз в потокераствора катализатора; непрерывный гидролиз в потоке твердой фазы и жидкойфазы.
На процесс вытеснения сахара большое влияниеоказывает агрегатное состояние фазы между частицами гидролизуемого сырья. Поэтому признаку различают парофазный и жидкофазный процессы. Химическая реакциягидролиза при этом протекает в толще гидролизуемых частиц и гидролизуемыеполисахариды находятся в твердой фазе, а раствор катализатора − в жидкойфазе.
В химической кинетике рассматриваютзамкнутые (закрытые) и незамкнутые (открытые) системы. В замкнутых системахвозможен обмен энергией с окружающей средой, но не веществом. В эти системы вовремя реакции не проводится подача исходных веществ и выведение продуктовреакции. Примером замкнутой системы может служить одноступенчатый гидролиз встатических условиях.
Незамкнутые системы обмениваются сокружающей средой веществом и энергией. В незамкнутых системах в реактор подаютреагенты или катализаторы либо выдают продукты реакции. К незамкнутым системамв зависимости от технических признаков можно отнести многоступенчатый,перколяционный и непрерывный методы гидролиза [3].
При одноступенчатом гидролизе загрузка сырьяи раствора катализатора в реактор проводится до начала реакции, выгрузка всехпродуктов реакции − после полного завершения процесса. Примногоступенчатом и перколяционном гидролизе сырье и раствор кислоты такжезагружаются в гидролизаппарат до начала реакции, но гидролизат из реактораотбирают до завершения процесса гидролиза. При перколяционном гидролизе подачараствора катализатора и выдача гидролизата из зоны реакции осуществляетсянепрерывно.
При периодической загрузке сырья вгидролизаппарат производится многократное повторение цикла: загрузка сырья –гидролиз – выгрузка твердого остатка. Для повышения производительностиосновного технологического оборудования и стабилизации параметров процессаболее предпочтительны непрерывная подача сырья в гидролизаппарат и непрерывнаявыдача твердого остатка.
На выход моносахаридов при перколяционномгидролизе влияет продолжительность их пребывания в зоне реакции, которая в своюочередь зависит от скорости выдачи гидролизата. Изменяя конструкции устройствдля подачи раствора катализатора и выдачи гидролизата, обеспечивают направлениежидкостных потоков в вертикальном или горизонтальном направлении. Болееблагоприятные гидродинамические условия обеспечивает перколяция с восходящимтоком жидкости.
Технологические параметры гидролиза растительногосырья разбавленными кислотами в значительной степени зависят от реакционнойспособности гидролизуемых полисахаридов и вида целевой продукции.
В двухстадийных режимах перколяционногогидролиза боле полно учитывается различие в реакционной способностигемицеллюлоз и целлюлозы. По двухстадийным режимам проводится раздельная выдачагемицеллюлозного гидролизата или фурфуролсодержащих паров и гексозногогидролизата.
В настоящее время в промышленных условиях напредприятиях дрожжевого профиля применяют методы гетерогенно-гомогеногожидкофазного высокомодульного одно- и двухстадийного перколяционного гидролизарастительного сырья разбавленной минеральной кислотой в аппаратахпериодического действия [1].
1.3 Сырье для производства кормовых дрожжей
Получение кормовых дрожжей основано намаксимальной скорости образования дрожжами биомассы в питательной среде,содержащей все элементы, необходимые для их жизнедеятельности. В промышленныхусловиях для производства кормовых дрожжей применяют следующие питательныесреды [3]:
1. Пентозно-гексозные гидролизаты,получаемые при гидролизе всех полисахаридов, содержащихся в растительном сырье.Эти гидролизаты представляют собой сложную смесь различных органическихсоединений, утилизируемых дрожжеподобными грибами. К ним относятся гексозные(глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза) и пентозные (ксилоза, арабиноза)сахара. В качестве энергетического материала дрожжи используют органическиекислоты − уксусную и частично левулиновую.
2. Гексозные гидролизаты, получаемые гидролизомцеллолигнина, который остается после удаления пентозанов при получениифурфурола или ксилита.
3. Предгидролизаты, состоящие из продуктовгидролиза гемицеллюлоз. Они получаются при водном или кислотном гидролизегемицеллюлоз древесины. Водные предгидролизаты, содержащие декстрины,предварительно инвертируются.
4. Сульфитный щелок, получаемый при варкехвойной и лиственной древесины и содержащий гексозы, пентозы и органическиекислоты.
5. Барда гидролизно- и сульфитно-спиртовыхзаводов, состоящая из пентоз и органических кислот.
6. Отеки, получаемые при производствекристаллической ксилозы и глюкозы из различных растительных отходов.
1.4 Стадии получения кормовых дрожжей
Для выращивания кормовых дрожжей необходимополучить биологически доброкачественные субстраты, что осуществляется в ходетехнологического процесса подготовки гидролизатов и других сред к биохимическойподготовке. Эта подготовка состоит в инверсии декстринов и олигосахаридов домоносахаридов, нейтрализация избыточной кислотности, осветления, очистки,охлаждения до оптимальной температуры и освобождения от вредных веществ,неблагоприятно отражающихся на размножении и росте дрожжей [1].
Необходимо отметить ряд особенностейподготовки субстратов к выращиванию кормовых дрожжей: обогащение средыфосфором, азотом и калием, подача аммиачной воды в дрожжерастильные чаны дляподдержания pH среды, более глубокое охлаждение, подбор микроорганизмов иполучение чистой культуры, разбавление сусла до оптимальной концентрацииредуцирующих веществ, подготовка и очистка воздуха. Для нормальнойжизнедеятельности дрожжей и интенсивного биосинтеза белка субстрат долженсодержать кроме гексозных и пентозных сахаров также азот, фосфор, калий имикроэлементы.
Для выращивания кормовых дрожжей необходимоподбирать культуры микроорганизмов, дающих в оптимальных условиях максимальныйвыход дрожжевой массы, синтезирующих многие витамины и другие биологическиактивные вещества, устойчивых к вреднодействующим веществам гидролизной среды,способных полностью использовать все ее питательные вещества. В дрожжевойпромышленности ведется работа по отбору из производственных сред новых культур,обладающих полезными свойствами. После размножения в стерильных условияхпродуктивные культуры внедряют в производство. Для стабильного удерживания вдрожжерастильных аппаратах урожайной культуры дрожжей применяется подсев чистойкультуры, выращиваемой в специальном отделении. Чистая культура − этодрожжи, не содержащие посторонних примесей. Приготовление чистой культурызаключается в постепенном культивировании дрожжей по особому режиму, встерильных условиях, начиная от небольшого числа клеток в лабораторной пробиркеи кончая большим количеством дрожжей в дрожжерастильных аппаратах. Аппараты, вкоторых происходит выращивание чистой культуры, снабженывоздухораспределительной системой, змеевиками для пологрева или охлажденияпитательной среды и барботерами для пропарки [3].
На скорость накопления биомассы дрожжейбольшое влияние оказывает концентрация РВ в субстрате. В промышленных условияхпри содержании РВ выше 1,-2,0% происходит неполная их утилизация и выращиваниедрожжей идет медленно. Целесообразнее разбавлять сусло последрожжевой бражкой сцелью более глубокого использования пентозных сахаров, минеральных солей,повышения выхода товарных дрожжей, экономии свежей воды и сокращения объемасточных вод. Процесс выращивания кормовых дрожжей осуществляется при энергичномпотреблении кислорода, это процесс аэробный. Количество потребляемого кислородадостигает 80% от получаемого сухого вещества. Так как дрожжи усваивают толькомелкодиспергированный, растворенный в жидкой среде кислород, количество егодолжно быть достаточно для нормального размножения и роста дрожжей. Поэтому сцелью получения максимальных выходов биомассы выращивание дрожжей ведется принепрерывном и интенсивном продувании среды воздухом [2].
На скорость прироста дрожжей влияет такжеперемешивание окружающей среды. Хорошее перемешивание способствуетдиспергированию и растворению кислорода, ускорению проникновения его и питательныхвеществ в дрожжевые клетки, а также удалению продуктов их обмена. Вдрожжерастильных аппаратах устанавливают разнообразные вохдухораспределительныесистемы: барботажную, систему с механическими средствами распыления итурбоаэрационную, эрлифтную, вибрационную.
Барботажная система воздухораспределенияоснована на принципе распыления воздуха в начале ввода его в среду. Однакоуменьшение сечения отверстий для воздуха и увеличение их количества, а такжеприменение пористых материалов привело к значительному увеличению мощностиэлектродвигателей воздуходувных машин. Барботажная система не обеспечиваетдосиаточного диспергирования воздуха и интенсивного перемешивания среды, чтоприводит к неравномерному распределению дрожжей по высоте аппарата и снижению выходабиомассы.
Для усиления диспергирования воздуха вжидкости применяют ситемы с механическим или турбоаэрационным распылениемвоздуха. Измельчение крупных пузырьков воздуха в жидкости осуществляется спомощью различных вращающихся приспособлений. Однако даже применениемногоярусных мешальных устройств с большим числом оборотов не обеспечиваетнужной вертикальной циркуляции жидкости и воздуха.
Одной из лучших воздухораспределительныхсистем является эрлифтная. При этой системе воздухораспределения давлениевоздуха не теряется при вводе в дрожжерастильный аппарат, а используется длясоздания циркуляционных потоков, выравнивающих концентрацию воздуха, дрожжей,питательных веществ по всей высоте и объему аппарата. При этом неиспользованныйвоздух увлекается нисходящим потоком, что приводит к снижению расхода воздухана выращивание дрожжей. Применяется также вибрационная системавоздухораспределени. Преимущество этой системы состоит в том, что под влияниемвыращивающегося под давлением воздуха вибрирующая пластинка производитколебательные движения, дающие наибольший эффект контактирования воздуха сосредой [1].
Также применяются дрожжерастильные чаны ссистемой шайбового воздухораспределения в основном для выращивания дрожжей напослеспиртовой барде. Недостатком работы чанов на этой конструкции являетсянеполное использование емкости вследствие образования мертвой зоны под шайбой,недостаточная диспергация воздуха, низкий коэффициент использования кислородавоздуха, значительный расход электроэнергии на приведение во вращение шайбовыхустройств.
Одной из эффективных конструкцийдрожжерастильных аппаратов является аппарат системы ВНИИгидролиза высокойпроизводительности с вибрационно-рассредоточенной системой воздухораспредленияи встроенным флотатором. В этом аппарате происходит одновременно непрерывныйпроцесс накопления биомассы и отделение дрожжевой суспензии методом флотации.
Воздух, подаваемый в дрожжерастильныеаппараты, должен быть максимально чистым и не зараженным постороннимимикроорганизмами. Для освобождения воздуха от механических примесей навсасывающей линии ставят жалюзийные решетки ли фильтры, в которых происходитобеспыливание [4].
По техническим условиям, товарные кормовыедрожжи должны быть получены в сухом виде с содержанием 8-10% влаги. Для этогодрожжевую суспензию, отбираемую из дрожжерастильных чанов, сгущают, выпариваюти высушивают. Наиболее рациональным способом сгущения дрожжевой суспензииявляется флотирование и сепарирование. Флотационный способ основан наспособности дрожжевых клеток концентрироваться в пене при продувании средывоздухом, т.е. флотироваться в пену из жидкости. Жидкость при этом обедняетсядрожжами. Флотаторы применяются для сгущения дрожжевой суспензии вместосепараторов первой группы. Флотационный метод выделения дрожжей имеет рядпреимуществ по сравнению с сепарационным: сокращается количество дорогостоящихсепараторов, следовательно и капиталовложения, сокращаются эксплуатационныерасходы на ремонт сепараторов, затраты электроэнергии, надежно обеспечиваетсянепрерывный процесс выделения дрожжей из бражки; дрожжи, получаемые способомфлотирования, имеют более высокие показатели по содержанию белка, по вкусу,цвету и зольности. Извлечение дрожжей из бражки и концентрирование ихпроисходит во флотаторе.
Для улучшения качества кормовых дрожжей повкусу, цвету и содержанию в них белка дрожжевую суспензию промывают водой припомощи водоструйного насоса эжектора, который устанавливается между двумягруппами сепараторов [1].
Для снижения расхода пара на сушку дрожжейконцентрация сгущенной на сепараторах дрожжевой суспензии может быть повышенана вакуум-фильтрах. На вакуум-фильтрах дрожжевая суспензия сгущается до 20-22%сухих веществ. Более производительным, простым и удобным является способупаривания дрожжевой суспензии в системе выпарных аппаратов. Однако передпоступлением в вакуум-выпарной аппарат дрожжевой концентрат поступает вплазмолизатор для снижения пенообразования в испарителях выпарных аппаратов, атакже для исключения образования сгустков дрожжей, которые отрицательно влияютна процесс упаривания, где нагревается глухим паром с последующим выдерживаниемс целью гомогенизации суспензии. При плазмолизе также обеспечивается подавлениежизнедеятельности вегетативных клеток микробной биомассы. В качествеплазмолизаторов используют преимущественно теплообменники труба в трубе.Плазмолиз и дегазация стабилизируют процесс вакуум-выпарки дрожжевой суспензиив связи с уменьшением пенообразования в сепарационной камере выпарного аппаратаи снижением способности дрожжей к агломерации с образованием комков и осадков.
Наибольшее распространение получиладвухкорпусная вакуум-выпарная установка, работающая по непрерывному способу спринудительной циркуляцией. Принцип работы выпарных аппаратов с принудительнойциркуляцией обеспечивает лучшие условия и большие скорости циркуляцииупариваемой жидкости, а следовательно, и более высокий коэффициенттеплопередачи. Установка состоит из выпарных аппаратов с выносными трубчатымиподогревателями, испарителей, связанных между собой соединительной ициркуляционной трубами, барометрического конденсатора, вакуум-насоса длясоздания вакуума в выпарной системе и насосов для принудительной циркуляциидрожжевой суспензии. Аппараты с выносными подогревателями легкодоступны длячистки или ремонта.
Для получения сухих дрожжей, пригодных кдлительному хранению и перевозкам, применяются различные способы сушки. Назаводах малой производительности, работающих преимущественно на спиртовойбарде, используются вальцовые сушилки с испарительной способностью до 1 т влагив час. На заводах большой мощности применяются более производительныераспылительные сушилки с испарительной способностью от 4 до 15 т влаги в час.Сушка дрожжевого концентрата должна происходить в условиях, в которых неразрушались бы содержащиеся в дрожжевых клетках аминокислоты, витамины и другиеценные вещества [2].
Дрожжи, высушенные на вальцовых сушилках,имеют вид тонких, хрупких, полупрозрачных листочков желтого или коричневогоцвета. В таком виде они имеют небольшую объемную массу, что затрудняет ихупаковку. Поэтому сухие дрожжи подают в мельницу, измельчающую их до состояниямуки. Недостатком вальцовых сушилок является также то, что дрожжи в процессесушки на поверхности барабана подвергаются действию температуры 150-160 0С, чтоприводит к частичному разложению белка, аминокислот и витаминов. В производствекормовых дрожжей наибольшее распространение получили распылительные сушилки.Процесс сушки основан на тонком распылении дрожжевого концентрата в камере,заполненной горячим воздухом. Мелкие капли дрожжевого концентрата в этихусловиях быстро высыхают и в виде светло-желтого порошка падают на дно сушилки.
В некоторых сушилках дрожжевой концентратраспыляется при помощи форсунок. В распылительных сушилках белок и аминокислотылучше сохраняются от термического разложения, и выход белка возрастает на 5% посравнению с выходом пи сушке на вальцовых сушилках.
Для упаковки сухих кормовых дрожжейприменяют клапанные или открытые бумажные мешки. Открытые мешки после загрузкизашивают на строчной машине или завязывают, а для клапанных эта операцияисключается. В бумажные мешки загружают 20-30 кг дрожжей [3].
В настоящее время большое внимание уделяетсявопросу витаминизации кормовых дрожжей, так как эффективность их применения всельском хозяйстве зависит от содержания не только белка, но и витаминов.Основным способом обогащения их витамином D2 в производственных условияхявляется облучение живых дрожжей ультрафиолетовыми лучами перед сушкой.Благодаря облучению содержащийся в дрожжах провитамин эргостерин превращается ввитамин D2. Облучение происходит в витаминизаторах или облучателях различнойконструкции через стенки кварцевых трубок, по которым циркулирует дрожжеваясуспензия, или прямым воздействием на дрожжи ультрафиолетовых лучей [2].
1.5 Очистка сточных вод
Получение различных продуктов гидролизногопроизводства связано с потреблением больших количеств воды. В процессепроизводственного использования вода меняет свои физико-химические свойства,загрязняется, нагревается и удаляется с завода. Такая вода носит названиесточной. Основным загрязняющим стоком гидролизно-дрожжевого производстваявляется отработанная культуральная жидкость.
В сточные воды гидролизных заводов поступаетспиртовой и фурфурольный Лютер, последрожжевая бражка, сивушные,эфиро-альдегидные и скипидарные фракции, мертвые дрожжи, выводимые избродильных чанов, вода с охладительных установок. Значительное количествосточных вод получается при мытье заводского оборудования и производственныхпомещений.
До последнего времени ряд гидролизныхзаводов спускал производственные сточные воды в естественные водоемы. В этомслучае в водоемах активно развиваются аэробные микроорганизмы −минерализаторы, окисляющие органические вещества сточной воды и превращающие ихв минеральные − нитраты, нитриты, фосфаты, карбонаты, сульфаты,углекислоту и воду. В результате солевой состав водоемов, в них преобладаютсоли кальция. Такие изменения в составе водоемов наносят большой вред флоре ифауне. Наблюдается сокращение видимого состава водорослей, фитопланктона,развитие нитчатых бактерий которые обволакивают икру и жабры рыб, а такжемелких беспозвоночных кормовых организмов и вызывает их гибель. Спускнеочищенных сточных вод в водоемы приносит большой вред рыбному хозяйству,вызывая заболевания и гибель рыб, сокращая места пастбищ и нереста. Окраскапромышленных стоков и их запах ухудшают качество речной воды. Поэтому сточныеводы перед спуском в естественные водоемы должны подвергаться очистке иобезвреживанию, в результате чего концентрация загрязнителей должна снизится донормы [1].
Существует несколько методов очистки сточныхвод: механический, физико-химический, химический и биологический. В основебиологического метода лежит жизнедеятельность аэробных микроорганизмов −минерализаторов, под влиянием которых происходит биохимическое окислениеорганических веществ. Так как сточные воды гидролизных заводов содержат большоеколичество органических загрязнений, доступных биохимическому окислению, то дляих очистки наиболее рациональным и подходящим оказался биологический метод.Эффективность очистки стоков биологическим методом составляет 95%. Кромерастворенных, тонкодиспергированных органических веществ, которые в процессежизнедеятельности микроорганизмов минерализуюся, в сточных водах содержатсявзвешенные вещества − гипс, песок, известь, лигнин, опилки, мелкая щепа,мертвые дрожжи и другие примеси. Сброс производственных сточных вод в водоемыдопускается при минимальном содержании в них взвешенных веществ. Часть из них оседаетна дно очистных сооружений, отрицательно влияя на их работу и деятельностьмикроорганизмов. Для освобождения от взвешенных веществ производят механическуюочистку сточных вод [1].
1.6 Защита атмосферы от промышленныхвыбросов
Для гидролизных предприятий характерныпостоянные и периодические выбросы. В связи с несовершенством технологическихпроцессов и оборудования в атмосферу поступает аэрозоль, содержащий воздух,неконденсирующиеся газы, пары воды и органических примесей, мелкодисперсныекапли жидкости и твердые частицы исходного сырья, лигнина, дрожжей, золы.
Отрицательное влияние парогазовых выбросов вокружающую среду в первую очередь связано с наличием фурфурола. На санитарноесостояние атмосферы также влияет выброс из ферментаторов с отработаннымвоздухом живых клеток продуцента (аспорогенных дрожжей) и продуктов белковойприроды в отработанном воздухе после распылительных сушилок. Повышенноесодержание этих примесей в воздухе может привести к аллергическим заболеваниямчеловека.
Помимо выбросов основных производственныхцехов существуют выбросы котельных. По количеству загрязнений выбросы котельныхсоставляют 60% от всех выбросов, в том числе 20-25% приходится на нетоксичнуюпыль и столько же на диоксид серы, 10-15% на диоксид углерода и 3-5% на оксидуглерода, Выброс золы составляет в среднем 8,5 кг/т абс. Сухого сырья.
Для снижения отрицательного влияния газовыхвыбросов на окружающую среду необходимо уменьшить их выход присовершенствовании технологии производства и аппаратуры, а также их эффективнуюочистку от вредных примесей. В настоящее время эффективной очистке подвергается60-70% выбросов, что недостаточно для защиты атмосферы от загрязнений. Широкоеиспользование методов сухой и мокрой очистки выбросов с высокоэффективнымипылегазоулавливающими установками является необходимым при созданиималоотходной и безотходной технологии гидролизных производств [6].
2 Выбор и обоснование технологической схемыпроизводства
2.1 Основные стадии производства кормовыхдрожжей
Технологическая схема производства белковыхкормовых дрожжей включает две основные стадии:
ферментация − выращивание дрожжей,накопление биомассы;
концентрирование.
Концентрирование в свою очередь включает всебя сепарацию, плазмолиз − разрушение живых клеток, вакуум-выпаривание исушку.
Процесс биосинтеза (ферментация) требуетсоздания наиболее благоприятных условий для размножения продуцируемой культурымикроорганизмов. Как правило, в субстрате существует ассоциация культур, вкоторых кроме главного, наиболее урожайного, штамма входят другие штаммы, авозможно и штаммы других родов. Эти спутники обеспечивают главную культурунедостающими для жизнедеятельности компонентами. В процессе образования иподготовки субстрата возможно его заражение, содержащейся в воздухе “дикой” микрофлорой.Чтобы исключить это явление и обеспечить постоянство состава микроорганизмов втехнологическую систему вводят непрерывно или периодически основнуюмонокультуру, специально выращенную в отделении “чистой культуры”. Наращивание“чистых культур” проводится в емкостях нарастающего объема, после лабораторнойстадии “чистая культура” поступает в дрожжанку, а далее в дрожжерастильныйаппарат. Дрожжевая суспензия передается в основной производственный поток ичерез 7 суток процесс получения “чистой культуры” вновь воспроизводится слабораторной стадии[1].
2.2 Стадия ферментации
Качественные показатели процесса накоплениябиомассы определяются рядом факторов. Система воздухораспределения в аппаратахдолжна обеспечить такое его диспергирование, в результате которого достигаетсяглубокий контакт клеток с растворенным кислородом. В настоящее время существуютаппараты с барботажной системой воздухораспределения. Аппараты этого типа имеютсравнительно небольшую вместимость и производительность и в настоящее времяприменяются на установках по получению чистых культур микроорганизмов, а такжев цехах по получению пищевых дрожжей на мелассной основе. К аппаратамбарботажного типа относятся также аэротенки, которые используются прибиологической очистке сточных вод.
В дрожжевых цехах в свое время широкоераспространение получили ферментаторы с шайбовым воздухораспределением собъемом 150-250 м3, имеющие рядмодификаций. Недостатком работы чанов этой конструкции является неполное использованиеемкости вследствие образования мертвой зоны под шайбой, недостаточнаядиспергация воздуха, низкий коэффициент использования кислорода воздуха,значительный расход электроэнергии на приведение во вращение шайбовыхустройств. Для выращивания дрожжей применяются также аппараты емкостью 250 м3, в которых механическое распыление воздуха осуществляется с помощью вращающихсяперфорированных лопастей в виде полых пропеллеров, имеющих мельчайшиеотверстия. Через них воздух входит в жидкость, распыляется в ней и поднимаетсявверх. В этом случае расход воздуха на 30-40% меньше, чем в случае барботажнойсистемы [2].
Особенностью и достоинствомдрожжерастильного аппарата с эрлифтной системой воздухораспределения являетсяотсутствие движущихся механизмов, что существенным образом снижает удельныйрасход электроэнергии, т.е. такие аппараты являются наиболее экономичными.Одним из высокопроизводительных является дрожжерастильный аппарат с эрлифтноймногозонной системой воздухораспределения. Большой эффект дают дрожжерастильныечаны с вибрационной системой воздухораспределения, основанной на принципевозбуждения колебаний звуковых и ультразвуковых частот в струе подаваемого вжидкость воздуха. Основным элементом этой системы является наличие в отверстиина выходе воздуха вибрационной пластинки. Под влиянием вырывающегося поддавлением через зазор воздуха пластинка вибрирует, производя колебательныедвижения, способствующие соприкосновению воздуха с питательной средой и лучшемуего растворению. В чане емкостью 250 м3 устанавливается 6-8 воздухоподводящихточек, расположенных равномерно по всему чану в виде паука. Такаярассредоточенная по всему днищу чана система воздухораспределения увеличиваетповерхность контакта воздушной и жидкостной фаз, улучшает циркуляцию сусла иснабжение его кислородом, а следовательно повышает производительностьдрожжерастильных аппаратов. Положительным является также равномерноераспределение дрожжевой массы в аппарате, отсутствие застойной зоны, уменьшениерасхода электроэнергии.
Каждый аппарат снабжен воздуходувкой. Расходвоздуха 25 м3 на кг сухих дрожжей. Концентрация дрожжей или биомассы послевыращивания составляет 30-40 г/л по прессованным дрожжам (прессованные дрожжиимеют влажность 75% и только 25% сухого вещества).
В процессе жизнедеятельности дрожжейвыделяются продукты метаболизма, в основном органические кислоты (средаокисляется). Для поддержания Ph подается аммиачная вода. Часть отработанной культуральнойжидкости последрожжевой бражки (до 30%) может быть направлена на разбавлениесусла вместо свежей воды. Концентрация сухих в суспензии 1%, влажных дрожжей99%. Необходимо получить дрожжи с влажностью не более 10% [4].
В данной технологической схеме будемиспользовать конструкцию дрожжерастильного аппарата с эрлифтной системойвоздухораспрседеления (4-диффузорный) с рабочим объемом ферментатора 1300 м3.
2.3 Виды флотаторов
Дрожжевые клетки обладают способностью флотироватьсяв пене, т.е. дрожжевые клетки прилипают к пузырькам воздуха. Жидкость при этомобедняется дрожжами. Флотаторы применяются для сгущения дрожжевой суспензии.Типовой флотатор представляет из себя цилиндрическую емкость с внутреннейобечайкой. Кольцевое пространство между стенками цилиндров разделено недоходящими до дна стенками на 5 секций, между первой и пятой секциями сплошнаяперегородка. Дрожжевая суспензия поступает самотеком в первую секцию, гдепроисходит флотирование основного количества дрожжей. Культуральная жидкостьпоследовательно проходит через остальные секции, где флотационное выделениедрожжей обеспечивается путем подачи воздуха. В флотаторе концентрация дрожжейдостигает 100-150 г/л (по прессованным).
Существует одноступенчатый пятисекционныйфлотатор с производительностью 100 м3/ч. Данный аппарат прост по устройству,легко доступен для изготовления и освоения. Недостатком его является смешениедрожжевой пены от различных секций, вследствие чего пена из первой секции,имеющая наибольшее содержание дрожжей, смешивается с пеной из последней секции,имеющей весьма низкую концентрацию. Вследствие этого средний коэффициентфлотации составляет обычно 4-6, в то время как в первой секции, где выделяетсядо 80% общего количества дрожжей, коэффициент флотации доходит до 15-16. Вцелях получения из флотатора концентрированной дрожжевой суспензии быларазработана конструкция флотатора, в котором пена из первой и последующихсекций флотации отбирается отдельно.
Используются также двухступенчатые флотаторы,в котором обе ступени флотирования совмещены. Основное преимущество даннойконструкции заключается в ее компактности в связи с объединением двух ступенейфлотирования в одном корпусе аппарата. Однако, недостаточность объема 2-ойступени флотирования не позволяет значительно снизить потери дрожжей в связи суносом их с отработанной жидкостью. Также используются цилиндрические иконические флотаторы. Основным преимуществом конического флотатора является то,что его форма улучшает условия отвода дрожжевой пены в стакан [5].
Для концентрирования дрожжей рекомендуютсяпневматические флотаторы конструкции ВНИИСинтезбелок. В отличие от другихфлотаторов в данной конструкции предусмотрены узлы для интенсивногодиспергирования воздуха. Напорные флотаторы относятся к перспективнымфлотаторам для выделения активного ила и дрожжей. Электрофлотаторы насовременном этапе проходят стадии полупромышленных и промышленных испытаний.После решения ряда проблем могут эффективно использоваться при выделениимикроорганизмов[8].
2.4 Виды сепараторов
Дальнейшее концентрирование дрожжевойсуспензии проводят на двух ступенях сепараторов: концентрация на первой ступени200-300 г/л, на второй 500-600 г/л. Разработаны конструкции сепараторовпроизводительностью 60-80 м3/ч с системой безразборной мойки с автоматическимрегулированием степени сгущения концентрата. В зависимости от назначениясепараторы бывают разных конструкций. В дрожжевой промышленности применяютсепараторы открытого типа, полугерметичные и герметичные [2].
Открытые сепараторы имеют приемный сосуд, вкоторый бражка свободно сливается из трубопровода. Под напором столба жидкостибражка, пройдя фильтрующую сетку, свободно поступает в распределительную трубусепаратора. Отработанная жидкость выбрасывается через отверстие в верхней частибарабана в верхнюю приемную камеру, откуда самотеком сливается через штуцер воткрытый лоток, в воронку или сборник. Дрожжевая суспензия выводится избарабана через отверстия в мундштуках, собирается в нижней приемной камере итакже самотеком через штуцер выводится в лоток.
У полугерметических сепараторов подачаготовой бражки и отвод отработанной жидкости осуществляется под напором, адрожжевая суспензия выводится самотеком. У таких сепараторов отсутствуетприемный сосуд, а готовая бражка поступает из трубопровода, непосредственноприсоединенного к распределительной трубе сепаратора. У этих сепараторовотсепарированная бражка выводится без напора, производительность данныхсепараторов составляет 35000 л/ч.
У герметических сепараторов ввод готовойбражки, а также вывод отсепарированной жидкости и дрожжевой суспензииосуществляется под напором. Герметические сепараторы обеспечивают болеестерильные условия сепарирования, исключают выделение влаги и углекислоты врабочее помещение и не требуют обязательного расположения их над сборникамидрожжевой суспензии. Разработана конструкция сепаратора, который рассчитан напроизводительность до 80 м3/ч. При работе сепаратор под давлением до 0,2-0,3Мпа выбрасывает дрожжевую суспензию и отработанную жидкость, в связи с чем нетребуется установки промежуточных емкостей между отдельными группамисепараторов.
После первой ступени сепарации производятпромывку водой в водоструйном насосе. Промывка проводится с целью удаленияпродуктов метаболизма и красящих веществ, улучшается качество выпускаемойтоварной продукции.
После сепараторов дрожжевая суспензияпоступает на плазмолиз для снижения пенообразования в испарителях выпарныхаппаратов, а также для исключения образования сгустков дрожжей, отрицательно влияющихна процесс упаривания. Дрожжевая суспензия выдерживается около часа втеплообменнике труба в трубе при температуре 120 0С. При этом разрушаетсяклеточная оболочка и жидкость вытекает, т.е. дрожжевые клетки погибают.Снижается вязкость дрожжей, что обеспечивает лучшие условия работы ввакуум-выпарных аппаратах
Широко используются сепараторы СОС-501 К-3,которые представляют собой сепараторы-сгустители непрерывного действиятарельчатого типа с непрерывным центробежным сопловым выводом из барабана сгущеннойсуспензии и свободным сливом отработанной культуральной жидкости. Однакосущественным недостатком сепараторов данной конструкции является быстраязасоряемость мундштуков и межтарельчатого пространства механическимивключениями и мертвыми дрожжами[3].
2.5 Виды вакуум-выпарных аппаратов
Далее дрожжевая суспензия поступает навакуум-выпарные аппараты. Для снижения интенсивности термического распадавитаминов дрожжевой массы выпарку проводят под вакуумом при температуре не выше80-85 0С. С целью экономии тепла упаривание проводят на двух- или трехкорпусныхвакуум-выпарных батареях, концентрация дрожжей при этом повышается от 12-15% до20-25% по абс. сухим веществам. Схема двух- или трехкорпусной выпарки даетвозможность сократить расход пара на испарение влаги при упаривании дрожжевойсуспензии. Для предотвращения образования осадков необходимо обеспечитьинтенсивную циркуляцию упариваемой суспензии в выпарных аппаратах, а также вдругих аппаратах и коммуникациях. При упаривании вязких растворов эффективнывыпарные аппараты с принудительной циркуляцией жидкости.
Широко распространена конструкция аппаратовс выносной греющей камерой, так как обладает рядом преимуществ перед выпарнымиаппаратами со встроенными в корпус трубчатыми подогревателями. Аппараты с выноснымиподогревателями и принудительной циркуляцией обеспечивают лучшие условия ибольшие скорости циркуляции упариваемой жидкости, а следовательно, болеевысокий коэффициент теплопередачи и возможность свободного доступа к трубчатомуподогревателю для чистки или ремонта. Принцип работы выпарных аппаратов сестественной циркуляцией, обусловленный только разностью удельных весовжидкости в испарителе и подогревателе, имеет большое применение при упариванииневязких жидкостей. Таким образом, для данной технологической схемы выбираемвыпарной аппарат с принудительной циркуляцией и с выносной греющей камерой [2].
2.6 Виды сушилок, применяемых длявысушивания дрожжей
Далее дрожжевой концентрат направляется всушилку для высушивания дрожжей до остаточной влажности менее 10 %. Дляполучения сухих дрожжей, пригодных к длительному хранению и перевозкам,применяются различные способы сушки. На заводах малой производительности,работающих преимущественно на спиртовой барде, используются вальцовые сушилки сиспарительной способностью от 2 до 6 т влаги в час. Дрожжи, высушенные навальцовых сушилках, имеют вид тонких, хрупких, полупрозрачных листочков желтогоили коричневого цвета. В таком виде они имеют небольшую объемную массу, чтозатрудняет их упаковку.
В данной технологической схеме будемиспользовать распылительную сушилку, которая получила наибольшеераспространение. Процесс сушки основан на тонком распылении дрожжевогоконцентрата в камере, заполненной горячим воздухом. Мелкие капли дрожжевогоконцентрата в этих условиях быстро высыхают и в виде светло-желтого порошкападают на дно сушилки. Производительность распылительных сушилок по испаряемойвлаге равна 4-25 т/ч. Для стабильной и безопасной работы распылительных сушилокнеобходима правильная организация процесса сушки, обеспечивающая высыханиекапель жидкости до достижения стенок сушилки.
/>Высушенныедрожжи из конической части сушилки пневмотранспортом подаются в циклоны, гдепроисходит двухступенчатая очистка отработанного воздуха, затем в бункердрожжей и далее на упаковочно-взвешивающую машину производительностью 2т/ч [3].
Таким образом, процесс производства белковыхкормовых дрожжей будем поводить по следующей схеме: стадия ферментацииосуществляется в дрожжерастильном аппарате с эрлифтной системойвоздухораспределения; флотация проводится в одноступенчатом пятисекционномфлотаторе с производительностью 100 м3/ч; дальнейшее концентрирование дрожжевойсуспензии проводится на двух ступенях сепараторов СОС-501К-3; плазмолиз осуществляетсяв теплообменнике труба в трубе; далее дрожжевая суспензия поступает на выпарнойаппарат с принудительной циркуляцией и с выносной греющей камерой; высушиваниедрожжевой суспензии до 10%-ой влажности осуществляется в распылительной сушилкеСРЦ-12,5/1100 НК производительностью 6000 кг/ч.
3 Описание технологической схемы
Подготовленное к биохимической переработкесусло подается в дрожжерастильный аппарат 1. Для разбавления сусла доконцентрации редуцирующих веществ, равной 2,2%, подается последрожжевая бражка.В этот же аппарат поступает аммиачная вода для поддержания оптимального pH изасевные или подсевные дрожжи для поддержания в среде определенной культурыдрожжей, а также необходимой концентрации их. Процесс выращивания дрожжейпроисходит в дрожжерастильном аппарате 1 с эрлифтной многозонной системойвоздухораспределения. Непрерывный процесс дает возможность поддерживатьпостоянные условия культивирования и отбора биомассы. Производительностьаппарата 46,4 т в сутки товарных дрожжей. Дрожжерастильный аппарат представляетсобой вертикальный стальной цилиндр. Внутри аппарата установлено четыредиффузора, которые создают четыре циркулирующих потока. Через коллектор сжатыйвоздух подается в вертикальные трубы каждого диффузора. Внизу эти трубыоканчиваются конусом и кюветой. Удельный расход воздуха на 1 кг товарных дрожжей составляет 32 кг. В кювету по трубе меньшего диаметра подается разбавленноесусло, Сусло, переливаясь через край кюветы, смешивается с мелкодисперснымвоздухом, выходящим через щели под кюветой. Образовавшаяся пена поднимаетсявверх по диффузору и, разрушаясь, стекает вниз. Таким образом достигаетсямногократная циркуляция жидкости в аппарате. Выращивание дрожжей происходит приинтенсивной подаче воздуха, в пенной среде, способствующей их быстромуразмножению и росту. При работе дрожжерастильного аппарата температура жидкостив нем поддерживается в пределах 34-37С0. При выращивании дрожжей выделяетсязначительное количество тепла, составляющее от 12250 до 15680 Дж на 1 кг абс. сухих дрожжей, и температура среды может подняться выше допустимой. Отводят тепло путемподачи воды в змеевик двухстенного диффузора и орошения водой наружнойповерхности аппарата [3].
Полученная дрожжевая cуспензия сконцентрацией 35 г/л прессованных дрожжей непрерывно самотеком отводится изнижней части дрожерастильного аппарата в одноступенчатый флотатор 2. Впоследнем методом флотации осуществляется выделение дрожжей из бражки и ихсгущение до концентрации 120 г/л. Частично сгущенная дрожжевая суспензия черезгазоотделитель 4 центробежным насосом 5 откачивается в сборник 6.Последрожжевая бражка передается из флотатора насосом 5 в сборник 3, откудачастично направляется на разбавление сусла, а остальная часть − длясгущения на первую группу сепараторов 8. Из сборника 6 дрожжевая суспензиянасосом 5 подается на первую ступень сепараторов 8, где сгущается до содержаниядрожжей 400 г/л. Последрожжевую бражку из этой группы сепараторов направляют всборник 7.
Для получения кормовых дрожжей высокогокачества в схему включается их промывка. Сгущенная дрожжевая суспензия послепервой ступени сепараторов засасывается водоструйным насосом, смешивается в немс водой, промывается и подается на сепараторы второй ступени 9. Отработаннаяпромывная вода со второй ступени сепараторов для снижения потерь дрожжейвозвращается в сборник 6. Там она смешивается с дрожжевой суспензией, а потомсмесь подается на первую ступень сепарирования. Сгущенную дрожжевую суспензию сконцентрацией дрожжей 580 г/л после второй ступени сепарирования собирают всборнике 10. Перед поступлением на выпарку дрожжевая суспензия подвергаетсяплазмолизу для снижения пенообразования в испарителях выпарных аппаратов, атакже для исключения образования сгустков дрожжей, отрицательно влияющих напроцесс упаривания. При плазмолизе дрожжи теряют как свободную, так и связаннуюводу и становятся текучими. Сгущенная дрожжевая суспензия подается насосом 5 вплазмолизатор-подогреватель 11, в который поступает пар низкого давления, и подего влиянием происходит плазмолиз дрожжей при температуре 120 С0.Плазмолизированные дрожжи подаются через напорный бак 12 на упаривание вдвухкорпусную вакуум-выпарную установку. На выпарной установке производитсясгущение дрожжевой суспензии до содержания сухих веществ 20-22%. В качествегреющего пара на выпарную установку подается свежий пар или с целью экономиииспользуется вторичный. Частично упаренная дрожжевая суспензия передается ввыпарной аппарат 13. Вторичный пар, образующийся при упаривании дрожжевойсуспензии поступает в подогреватель второго корпуса выпарной установки.Упаренный дрожжевой концентрат из выпарной установки откачивается насосом 5 всборник 16. Вторичный пар из второго корпуса через ловушку поступает вбарометрический конденсатор 15, конденсируется водой и через барометрическийящик 14 сбрасывается в канализацию. Вакуум в системе создается выкуум-насосом.
Из сборника 16 дрожжевой концентрат насосом5 подается в сушильную установку, состоящую из дисковой распылительной сушилки17, циклонов 18, вентилятора 19 и другого вспомогательного оборудования [3].
Основная масса дрожжей, высушенных досодержания 8-10% влаги, пневмотранспортом подается через циклон в бункер.Отработанный воздух для улавливания уносимых дрожжей из распылительной сушилки17 подается в циклоны 18, а затем выбрасывается в атмосферу. Осевшие в циклонахдрожжи подаются в общий поток товарных дрожжей.
Сухие дрожжи из бункера поступают вупаковочную машину. Упакованные в бумажные мешки товарные дрожжи направляютсяпо транспортеру в склад готовой продукции, а затем потребителям [2].
4 Расчет материального баланса
Исходные данные:
Концентрация РВ в сусле − 2,2%.
Концентрация дрожжей после ферментатора −35 г/л (по прессованным).
Концентрация после флотатора − 120 г/л(по прессованным).
Концентрация после 2-ой группы сепараторов −580 г/л.
Влажность товарных дрожжей − 10%.
Количество абсолютно сухих дрожжей [7]:
35·25:100=8,75 г/л.
Количество полученных дрожжей в сутки16000:345=46,4 т/сут,
где 16000 − годовая выработка дрожжейв т.
Количество сусла, поступающего напереработку
46400·1:8,75=5303 м3.
Расход аммиачной воды на выращивание дрожжей
46,4·0,11=5,1 т/сут.
Подсев чистой культуры составляет 10% отобщей выработки дрожжей
46,4·0,1=4,6 т/сут.
Общее количество жидкости, поступающей вдрожжерастильный чан
5303+5,1+4,6=5312,7 т/сут.
Количество получаемых абсолютно сухихдрожжей
46,4·0,9:0,95=44 т/сут,
где 0,9 − коэффициент, учитывающийвлажность дрожжей;
0,95 − коэффициент, учитывающий потеридрожжей при выделении.
Количество дрожжевой суспензии, поступающейна флотацию
44:0,25=176 т/сут,
где 0,25 − коэффициент, учитывающийвлажность дрожжей.
Потери дрожжей при флотации составляют 1%
176·0,01=1,76 т/сут.
Количество биомассы дрожжей после флотации[7]
176-1,76=174,2 т/сут.
Количество дрожжевой суспензии, поступающейна первую группу сепараторов: 174,2:0,12=1451,7 т/сут,
где 0,12 − концентрация дрожжей всуспензии после флотатора.
Количество отработанной бражки после флотатора
5312,7-1451,7=3861 т/сут
а) на разбавление 150,7 т/сут,
б) на биоокисление 3861-150,7=3710,3 т/сут.
Количество дрожжевой суспензии после первойгруппы сепараторов:
174,2:0,4=435,5 т/сут,
где 0,4 − концентрация дрожжевойсуспензии после первой группы сепараторов, т/м3.
Количество отработанной бражки после первойгруппы сепараторов [7]
1451,7-435,5=1016,2 т/сут.
Количество воды для промывки дрожжей послепервой группы сепараторов:
435,5·1=435,5 т/сут,
где 1 − кратность промывки.
Количество дрожжевой суспензии, поступающейна вторую группу сепараторов: 435,5+435,5=871 т/сут.
Количество дрожжевой суспензии после второйгруппы сепараторов:
174,2:0,58=300,3,
где 0,58 − концентрация дрожжей послевторой группы сепараторов, т/м3.
Потери дрожжей при сепарации составляют 2%
176·0,02=3,52 т/сут.
Количество тепла, поступающего на плазмолиз
Q=5303·1,45·100=768935.
Количество биомассы дрожжей, поступающих навакуум-выпарную установку: 174,2+3,52=170,68.
Количество дрожжевой суспензии, поступающейна вакуум-выпарную установку: 170,68:0,58=294,3 т/сут.
Количество отработанной бражки после второйгруппы сепараторов
871-294,3=576,7 т/сут.
Количество воды, выпариваемой в двухкорпусах вакуум-выпарной установки
294,3 (1-14,5:25)=123,61,
где 14,5 − концентрация абсолютно сухихдрожжей в суспензии до упаривания,
25 − концентрация абсолютно сухихдрожжей в суспензии после упаривания.
Принимаем следующее распределение нагрузкивакуум-выпарной установки:
1 корпус − 48%, 2 корпус − 52%.
Количество влаги, испаряемое в первом корпусе[7]:
W1=123,61·48:100=59,3 т/сут.
Количество влаги, испаряемое во второмкорпусе:
W2=123,61-59,3=64,31 т/сут.
Расчет концентрации дрожжевой суспензии покорпусам производится по формуле:
X=(Gn-xn)/(Gn-W1); X1=(294,3·15)/(294,3-59,3)=18,8%;
X2=(294,3·15)/(294,3-117,72)=25,9%.
Количество дрожжевой суспензии сконцентрацией 25% сухих веществ, поступающей на сушку,
294,3-123,61=170,69 т/сут.
Количество влаги, испаряемой в сушилке привысушивании дрожжей до 10% влажности
170,69·(75-10)/(100-10)=123,28 т/сут.
Количество дрожжей после сушки без учетапотерь:
170,69-123,28=47,41 т/сут.
Потери дрожжей при сушке составляют 2% или
47,41·0,02=0,95 т/сут.
Получается дрожжей с влажностью 10% [7]
47,41-0,95=46,46 т/сут.
Сводный материальный баланс дрожжевого производствапредставлен в таблице 1.
Таблица 1 − Материальный балансдрожжевого производстваПриход Расход Наименование Количество, т/сут Наименование
Количество
т/cут
Сусло
Подсев чистой культуры
Аммиачная вода
Вода на промывку
5303,0
4,6
5,1
435,5
Дрожжи10%-ной влажности
Испарилось влаги при сушке
Потери дрожжей при сушке
Испаряется влаги в двух корпусах вакуум-выпарки
Последрожжевая бражка:
а) после флотатора
б) после сепараторов 1-ой ступени
в) после сепараторов 2-ой
ступени
46,46
123,28
0,95
123,61
3861,00
1016,20
576,70 Итого — 5748,2 Итого — 5748,2
/> /> /> /> />
5 Расчет и подбор основного технологическогооборудования
Количество ферментаторов определим поформуле [8]:
/>, (1)
где Qсут − производительность заводапо товарным дрожжам, кг/ч;
Q − фактическая производительностьферментатора по товарным дрожжам, кг/ч.
n=/>.
Принимаем к установке 4 ферментатора, из них1 − резервный.
Рассчитаем необходимое количество сборниковпосле ферментатора:
/>, (2)
где G − поток дрожжевой суспензии,м3/ч,
τ − время пребывания суспензии всборнике, ч,
k − коэффициент заполнения аппарата(k=0,8),
V − объем типового сборника, м3.
/>.
Принимаем 4 сборника после ферментатора, изних 1 − резервный.
Количество флотаторов рассчитаем по формуле:
/>,
где 221 − количество сусла,поступающего на флотатор, м3/ч,
100 − типовой объем флотатора, м3.
Принимаем к установке 3 флотатора.
Необходимое количество сборников послефлотатора рассчитаем по формуле (2):
/>.
Принимаем к установке 4 сборника послефлотатора, из них 1 − резервный.
Количество сепараторов рассчитаем поформуле[9]:
/>,
где 52,598 − поток дрожжевойсуспензии, поступающей на первую группу сепаратора, м3/ч,
35 − производительность по исходнойсуспензии, м3/ч.
Принимаем к установке 3 сепаратора первойступени.
Количество сепараторов второй ступенирассчитаем по формуле:
/>,
где 31,56 − поток дрожжевой суспензии,поступающей на вторую группу сепараторов, м3/ч,
35 − производительность по исходнойсуспензии, м3/ч.
Принимаем к установке 2 сепаратора второйступени.
Рассчитаем количество сборников послесепаратора по формуле (2):
/>.
Принимаем к установке 2 сборника послепервой группы сепараторов и 2 сборника после второй группы сепараторов, из них1 − резервный.
В качестве плазмолизатора принимаемтеплообменник труба в трубе. Поверхность теплообмена рассчитаем по формуле[9]:
/>, (3)
где Q − количество тепла, поступающегона плазмолиз, Дж,
k − коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·0С),
ΔT − разность температур, 0С.
/>м2.
Принимаем 1 теплообменник с поверхностьюнагрева 21 м2. После теплообменника устанавливаем 2 напорных бочка.
Рассчитаем количество испаряемой влаги ввакуум-выпарной установке:
/>, (4)
где G − количество дрожжевойсуспензии, поступающей на выпаривание, т/ч,
а1, а2 − начальная и конечная концентрациидрожжей,%.
/>т/сут.
В выпарных установках технологическийгреющий пар расходуется на нагревание исходной КЖ до температуры кипения(Qнагр), на испарение воды в первом корпусе (Qисп) и на потери тепла вокружающую среду (Qпот.)[10].
Qнагр=G·c (tкип− tнач), (5)
где G − количество КЖ, кг/ч,
с − теплоемкость КЖ, Дж/(кг·0С),
tкип − средняя температура кипения КЖв выпарном аппарате,0С,
tнач − начальная температура КЖ, 0С.
Qнагр=12260·1,43(80-70)=175318 Дж.