Антипов С.Т. и др. Машины и аппараты пищевых производств. Книга 2. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 23 Оборудование для ведения процессов

ферментации

421

Рис.

23.9 Солодорастильный барабан с плоским ситом

Сухой солод выгружают из аппарата 4 с помощью шнекового ворошителя 5, ко-

торый подает зерно на механический конвейер 11, расположенный вдоль аппарата 4,

а оттуда на норию 6 в бункер 7, росткоотбойную машину 8 и далее на склад.

Солодорастильные барабаны. Пневматический солодорастильный барабан с

плоским ситом (рис. 23.9) представляет собой горизонтальный цилиндр 7 с двумя

бандажами 5, опирающимися на две пары роликов 9. К ведущему бандажу прикреп-

лена червячная шестерня 4, находящаяся в зацеплении с червяком 11, который при-

водит во вращение барабан 7. Люки 6 на корпусе барабана предназначены для за-

грузки замоченного зерна и выгрузки свежепроросшего солода. Замоченное зерно

ровным слоем укладывается на плоское сито 10.

После заполнения через верхние люки 6 зерном барабан 7 приводится во враще-

ние.

Проращивание зерна происходит в неподвижном барабане при нижнем горизон-

тальном положении сита 10. Кондиционированный воздух подается по левому возду-

ховоду 1, затем проходит между днищами 2 и J и попадает в подситовое пространст-

во,

откуда через сито 10 пронизывает слой проращиваемого в барабане 7 зерна.

Отработанный (нагретый и насыщенный диоксидом углерода) воздух через сетку

8 внутреннего днища 3 проходит в правую камеру между днищами 2 и 3 и удаляется из

барабана по правому воздуховоду / в атмосферу или на рециркуляцию. Вращение ба-

рабана 7 (один оборот за 45 мин) для перемещения солода осуществляется 1...2 раза в

сутки. В этот период подача кондиционированного воздуха прекращается.

В первые дни загрузки замо-

ченным зерном барабан 7 более

продолжительное время находит-

ся в покое, благодаря чему уско-

ряется процесс проращивания

зерна. К продуванию слоя зерна

кондиционированным воздухом

12 °С и ф = 100 %) приступа-

ют по достижении в зерне темпе-

ратуры

16...

°С. Продувание

воздухом проводится до тех пор,

Рис.

23.10 Схемы пневматических барабанов с плоским

ПОка

ОЛОД не

°ХЛа

ИТСЯ ДО

ситом и ситчатыми трубами 12... 14 °С.

422

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

Свежепроросший солод выгружается через люки 6 шнеками, которые устанав-

ливаются внутри барабана над ситом. В этот период сито находится в верхнем гори-

зонтальном положении.

Для барабанов с плоским ситом и ситчатыми трубами (рис. 23.10) степень за-

полнения составляет 50...60 %, а зерно продувается кондиционированным воздухом

и перемешивается в результате медленного вращения аппарата. Число барабанов

принимают равным числу суток ращения солода.

Техническая характеристика барабана с плоским ситом

Вместимость (по ячменю), т 12

Наружный диаметр, мм 3100

* Полная длина, м 9000

Длина сит, мм 8400

Ширина сит, мм 2800

Частота вращения, ч

-1

1,3

Установленная мощность электродвигателей с приводом, кВт:

на каждый барабан 2,0

на группу в четыре барабана 3,5

Габаритные размеры, мм 11 400x3700x4050

Масса без солода, кг 11 000

В барабане с ситчатыми трубами, которые примыкают к периферии внутренней

обечайки, внутри закреплена центральная ситчатая труба. Периферийные трубы

предназначены для подачи воздуха в слой проращиваемого зерна, а центральная

труба - для удаления из барабана отработанного воздуха.

Инженерные расчеты. Количество воздуха, необходимое для проветривания

проращиваемого в пневматической солодовне зерна, рассчитывают в соответствии с

количеством выделяющейся при проращивании теплоты.

Для подбора вентилятора определяют объемный часовой расход воздуха У

(м

/ч) по формуле

=тК/{х

пр

Рв

)

где т - потребная масса воздуха за весь цикл проращивания солода, кг; К'- коэффи-

циент неравномерности (при индивидуальной установке вентилятора на каждом

ящике К = 2,3; при групповой установке К = 1,1); х

пр

- продолжительность провет-

ривания ячменя (х„

= 65 сут); р„ - плотность кондиционированного воздуха

(р

= 1,29 кг/м

при/= 12 °С).

Удельный объемный расход воздуха V

„ на каждый килограмм очищенного су-

хого ячменя, идущего на замачивание [м

/(кгч) ], равен

= VJG

. •

Площадь поверхности сита одного ящика зоны вращения ковшового ворошите-

ля

F„

(м

) рассчитывают по формуле

=1,50

/рА,

Глава 23 Оборудование для ведения процессов

ферментации

423

где G

- масса очищенного ячменя, единовременно загружаемого в ящик, кг; р - на-

сыпная плотность воздушно-сухого ячменя, кг/м

; h - высота слоя замоченного яч-

меня в ящике, м.

В солодовне с передвижной грядкой длина ящика Ь

(м) зависит не только от мас-

сы перерабатываемого зерна, но и от ширины ворошителя и длины переброса солода:

где Т

- продолжительность проращивания солода ( т

= 6...8 сут); П

- число рабо-

чих ходов ворошителя в сутки (и

1...2);

/ - длина переброса солода ворошителем,

м(/= 1,5; 2,5 и 3,0).

Объем замоченного ячменя, ежесуточно поступающего в ящик и распределяе-

мого в нем слоем h, рассчитывается как

У=\,50

/Р =

1П

И,

откуда ширина ящика Ъ

(м) равна

=\,50

/(PLN

H).

Общая площадь сита ящика F (м ) определяется как

F = LX =\,ЪО

/(рА),

тогда производительность ящика солодовни с передвижной грядкой П (кг/ч)

Fph/36x

Выход замоченного зерна G

(кг) из 1 кг очищенного ячменя

=1 + {W

-W

)I{\№-W

где W

- начальная влажность очищенного ячменя, %; W

- влажность замоченного

зерна, %.

Потребная масса воздуха на проветривание 1 кг солода т\ (кг)

MI = Ф1{Н-Г\),

где Ф

—

удельный расход теплоты, которую необходимо удалить из 1 кг солода,

кДж/кг; ii и

—

соответственно удельные энтальпии кондиционированного и отра-

ботанного воздуха, кДж/кг.

Удельный объемный расход кондиционированного воздуха на проветривание

свежепроросшего солода V (м

/ч) равен

V = wixi/p

где

Т|

- продолжительность проветривания свежеприготовленного солода, ч; р

плотность кондиционированного воздуха, кг/м.

Удельный объемный часовой расход воздуха на 1 кг свежепроросшего солода V

y()

(м

/ч) составляет

=KV'/(x

24),

424

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

где К - коэффициент неравномерности подачи кондиционированного воздуха; х

продолжительность ращения солода, ч.

Производительность разгрузочного шнека винтового конвейера П

(кг/ч)

=№iDlS

где D

- диаметр разгрузочного шнека, м; S

- шаг витка, м; п

- частота вращения

шнека, с" ; р - насыпная плотность зерна, кг/м .

Так как выгрузка свежевысушенного солода осуществляется несколькими шне-

ками разгрузочного конвейера, то общая их производительность

робщ

(кг/ч)

Пр.общ

= т

где т - число разгрузочных шнеков.

Мощность N

(кВт), необходимая для привода разгрузочных шнеков при вы-

грузке солода, определяется по формуле

2,78

•

1СГ

робщ

/ц„ = 2,75

•

1(Г

рм6щ

g ,

где h

—

высота слоя солода, м; kj = 1,2 - коэффициент, учитывающий трение в под-

шипниках; к

= 6 - коэффициент сопротивления перемещаемого продукта;

И„

= 0,85

- КПД передачи.

Крутящий момент каждого вала винта шнека М

кр

(Н-м)

=(l6,25N

g)/mn

Мощность N (кВт), необходимая для вращения шнеков ворошения и перемеще-

ния солода, определяется в виде

z/m ,

где т - число шнеков.

Мощность привода

N„

(кВт) рассчитывается как

N„=N/4„.

Одно из самых удивительных заблуждений -

заблуждение в том, что счастье человека в том,

чтобы ничего не делать.

ТОЛСТОЙ ЛЕВ НИКОЛАЕВИЧ (1828-1910),

русский писатель

23.4.

ДРОЖЖЕВЫЕ И ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЕ АППАРАТЫ

В дрожжевых аппаратах (рис. 23.11) производят периодичное культивирова-

ние дрожжей в спиртовом производстве. Это геометрически закрытый цилиндроко-

нический аппарат, снабженный двумя змеевиками 1: один - для стерилизации среды

паром, второй - для охлаждения среды и поддержания постоянной температуры при

размешивании дрожжей. В аппарате размещена мешалка 2, которая может быть с

верхним или боковым приводом.

Глава 23 Оборудование для ведения процессов 425

ферментации

Рис.23.11 Принципиальная схема дрожжевого аппарата Рис.23.12 Принципиальная схема дрожжевого

аппарата с воздушным перемешиванием

Суть способа периодического культивирования состоит в том, что все опера-

ции - подготовка сусла, ввод посевных дрожжей, выращивание, ввод дрожжей,

промывка стенок и их стерилизация, охлаждение и повторение наполнения - осуще-

ствляют последовательно.

Перемешивание дрожжевой массы может быть осуществлено также сжатым

воздухом, подаваемым через барботер. Воздух предварительно должен быть очищен

в биологическом фильтре. Расход воздуха составляет 0,4...

на 1 м

свободной

поверхности жидкости в аппарате в минуту. Дрожжевой аппарат с воздушным пе-

ремешиванием изображен на рис. 23.12. При перемешивании мешалкой электродви-

гателя принимают расход мощности из расчета 1 кВт на 1 м

дрожжевой массы.

Дрожжевые аппараты изготовляют из стали толщиной 5...6 мм. Расчет поверх-

ности охлаждения змеевика аналогичен расчету змеевика бродильного аппарата.

Площадь поверхности змеевика для воды принимают из расчета 2 м

на 1 м

полез-

ной емкости аппарата; площадь поверхности парового змеевика - 0,8 м

на 1 м

по-

лезной вместимости аппарата.

Вместимость дрожжевого аппарата составляет - 6...8 % объема бродильного ап-

парата, коэффициент наполнения 0,8.

Дрожжерастилъные аппараты предназначены для размножения дрожжей в

производстве хлебопекарных дрожжей при сохранении их подъемной силы. Про-

цесс выращивания дрожжей длится 20...36 ч, выход их составляет 70... 85 % количе-

ства мелассы. В дрожжевом производстве стремятся погасить брожение и активизи-

ровать размножение дрожжей. Поэтому в современном дрожжерастильном аппарате

должны обеспечиваться: значительное разбавление дрожжевой суспензии (до 25 м

на 1 т мелассы), хорошая аэрация (до 100 м

/ч воздуха на 1 м

объема аппарата),

строго определенная концентрация питательных веществ во время размножения

дрожжей и определенная температура.

Техническая характеристика дрожжерастильных аппаратов приведена в табл. 23.5.

Дрожжерастильный аппарат ВДА-100 (рис. 23.13) представляет собой свар-

ной цилиндрический резервуар с охлаждающей рубашкой и пластинчатой аэраци-

14*

Зак.

710

426

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

Рис.

23.13 Дрожжерастильный аппарат ВДА-100

онной системой для насыщения суспензии кислородом во время размножения

дрожжей. Резервуар / установлен на балках 14 и стойках 15 и имеет охлаждающую

рубашку 20 из десяти секций (поясов). Аппарат снабжен люками 18 и 21 для обслу-

живания и ремонта, смотровым окном 2, осветлителем 3, гидрозатвором //, возду-

хоподводящей трубой 17, коробами 13 аэрационной системы, соплами 16 для про-

мывания коробов, коллектором 19 для подачи воды в секции охлаждающей рубашки

и коллектором 12 для вывода воды из охлаждающей рубашки. На крышке аппарата

установлена вытяжная труба 7, которая перекрывается заслонкой 10. Заслонка с по-

мощью муфты 4 соединена со штоком 9, несущим поршень, движущийся в цилинд-

ре 8 при помощи гидравлического привода, снабженного четырехходовым краном 5.

По шлангу 6 поступает вода для промывания. Подачу воздуха регулируют задвиж-

кой 23 через распределительный коллектор 23. Культуральная среда выводится по

трубе 24. За уровнем жидкости в аппарате наблюдают через мерное стекло 25.

Таблица 23.5 Техническая характеристика дрожжерастильных аппаратов

Показатель

ВДА-ЮО

«Пресс-

индустрия»

ПНР-200

Производительность, кг/ч

472

200

1680

Рабочий объем, м

70 75

140

Вместимость, м

100 ПО 200

Коэффициент массопередачи кислорода, кг/(м

-ч)

1,93

2,5

2,57

Удельный расход воздуха, м

/ (м-ч)

100 60 61.5

Пластинчатая аэрационная система ВДА включает распределительный коллектор

и короба, закрытые сверху перфорированными пластинами с отверстиями диаметром

0,5 мм. В некоторых аппаратах смонтированы трубчатые системы аэрации конструк-

ции ЦРММ. Они состоят из перфорированных трубок диаметром 51 мм, расположен-

Глава 23 Оборудование для ведения процессов

ферментации

427

ных на днище аппарата на определенном расстоянии. В поперечном сечении трубки

имеют 7 рядов отверстий диаметром 0,8...0,9 мм, расположенных через 15°, с шагом

5 мм. Трубки соединены с воздухораспределительным коллектором.

Аппарат итальянской фирмы «Пресс-индустрия» (рис. 23.14) предназначен

для выращивания дрожжей в концентрированных средах. Дрожжерастильный аппа-

рат (рис. 23.14, а) установлен на опорной раме 14 и в нижней части содержит шту-

церы для подачи сжатого воздуха 12, для вывода продукта 13, а также люк 1. Охла-

жденное дрожжевое сусло подается через штуцер И, установленный в средней час-

ти аппарата. Здесь же находится патрубок 2 для установки датчиков температуры

и рН. На верхней крышке аппарата размещены люк 3 и смотровое окно 10, а также

патрубок 4 для установки датчиков регулятора и сигнализатора уровня и штуцеры:

для подачи аммиачной воды 5, для подачи олеиновой кислоты 6, для крепления мо-

ечной головки 7, для подачи засевных дрожжей 8 и для подачи питательной среды,

воды, пара, растворов диаммонийфосфата и серной кислоты 9.

Аппарат оснащен трубчатой аэрационной системой (рис. 23.14, б), перфориро-

ванные трубки 2 которой крепятся к коллектору 3, соединенному с трубопроводом

Перфорированные трубки с помощью резьбы соединены с коллектором (лежа-

ком),

диаметром 250 мм, на расстоянии 125 мм. С одной стороны коллектора распо-

ложено 25 трубок диаметром 40 мм, в которых отверстия диаметром 1,5 мм обраще-

ны вниз и расположены в три ряда через 30° (в поперечном сечении). Расположение

отверстий в коллекторе и в барботажных трубках представлено на рис. 21.12, в и г. В

коллекторе также имеются отверстия диаметром 1,5 мм для выхода воздуха, обра-

5 6 7 8

ПС

/ III I

I 1111

-11

I ИМ

Рис.

23.14 Дрожжерастильный аппарат фирмы "Пресс-индустрия"

428

Часть

Машины

аппараты-преобразователи

пищевых сред

щенные вниз

шагом

по

длине коллектора

мм. По

поперечному сечению распо-

ложено пять рядов отверстий через 23°30'. Такое расположение отверстий исключа-

ет застой жидкости

системе аэрации

создает удобства

для ее

мойки. Культураль-

ная среда охлаждается

при

прохождении через выносной пластинчатый теплооб-

менник

поверхностью теплообмена

100

помощью насоса.

Инженерные расчеты. Стерилизация дрожжевой массы осуществляется путем

нагревания

ее

с tj =

50 до

=85 °С

течение

мин.

Количество теплоты, затрачи-

ваемой

на

стерилизацию дрожжевого затора,

(кДж) равно

W5V

pc(t

-t

где

1,05 -

коэффициент, учитывающий потери теплоты дрожжевым аппаратом

окружающую среду;

объем дрожжевого затора

аппарате,

; р -

плотность

затора

(р

1087

кг/м

);

с -

теплоемкость затора, кДж/(кг-К).

Потребная масса пара

на

стерилизацию

(кг)

D = Q/(i„-i

где

i„

удельная энтальпия пара, кДж/кг;

удельная энтальпия конденсата пара,

кДж/кг.

Коэффициент теплоотдачи

от

конденсирующегося пара

стенке стального

змеевика

он

[Вт/(м

-К)]

а,

0,725tjk

rg/vd(t„-t

)

где

коэффициент теплопроводности пара, Вт/(м-К); коэффициент принимается

при

средней температуре пленки конденсата

t„„

(t„

+ t

)l2;

р -

плотность пленки конден-

сата

при

кг/м

;

р -

динамическая вязкость,

Пах;

г -

теплота конденсации пара

(при

0,3 Па,

= 2140

кДж/кг);

d -

внутренний диаметр трубки змеевика,

м;

t„

темпера-

тура насыщенного пара (давление пара

для

стерилизации

0,3 Па, при

этом условии

t„

142,9 °С);

температура стенки змеевика,

на

которой конденсируется

пар

(принимаем эту температуру

на 5 °С

ниже температуры пара).

Коэффициент теплоотдачи

от

стенки змеевика

дрожжевому затору

а:

[Вт/(м

К)]

=0,87(V£)*e°'

При перемешивании затора

аппарате мешалкой

р/р.

Подставляя значения

Re и Рг,

получаем

0,87(V£>)(^

p/u)

(p^3600c/X)

где

X -

коэффициент теплопроводности дрожжевого затора, Вт/(мК);

D -

диаметр

дрожжевого аппарата,

м; п -

частота вращения мешалки,

с""

;

d -

диаметр лопасти

мешалки,

м; р -

плотность дрожжевого затора, кг/м

;

р -

динамическая вязкость,

Пас;

с -

теплоемкость дрожжевого затора, кДж/(кгК);

g -

ускорение свободного

падения,

м/с

По найденным значениям

ai и а

находят коэффициент теплопередачи.

Глава 23 Оборудование для ведения процессов

ферментации

429

Для расчета площади поверхности нагревания определяют тепловую нагрузку

за один час Ф

(кДж/ч)

060/т,

где Q - потребное количество теплоты за весь цикл работы теплообменников, кДж;

т - продолжительность стерилизации, мин.

Количество теплоты, отводимой от сбраживаемой питательной среды, и расход

охлаждающей воды дрожжерастильного аппарата определяют из теплового баланса.

Приход

теплоты Расход теплоты

Количество

теплота, вносимой с питательной Количество теплоты, уходящей с дрожжевой

средой

(растворами солей), суспензией (бражкой)

й =

G„c„t„

•

Количество

теплоты, выделяющейся при бро- Количество теплоты, отводимой с охлаждаю-

жении,

щей водой,

Количество

теплоты, вносимой в аппарат с ох- Количество теплоты, отводимой с воздухом,

лаждающей

водой, _ ^

GA'u Потери теплоты в окружающую среду

Количество

теплоты,

вносимой в аппарат

воз- Q

3600aF

духом,

В приведенных формулах G„, G

, и Gg - расход соответственно питательной

среды, охлаждающей воды и бражки, кг/ч;

с„,

кс

- удельная теплоемкость среды,

охлаждающей воды и бражки, кДж/(кг-К); t„, t

, t\

и t

- температура питательной

среды, бражки, начальная и конечная охлаждающей воды, °С; g - удельное тепло-

выделение дрожжей (g = 4171 кДж/кг); Р - прирост расхода дрожжей, кг/ч; L - рас-

ход продуваемого воздуха, кг/ч; i\, i

- удельные энтальпии свежего и отработанного

воздуха, кДж/кг; a - коэффициент теплоотдачи от поверхности аппарата в окру-

жающую среду, кВт/(м

-К); F

- площадь поверхности аппарата, м~; At - разность

температур сбраживаемой питательной среды и окружающего аппарат воздуха, °С.

Уравнение теплового баланса имеет вид

-tJ=Q

-Q

-Q,-L(l

- /,).

Обозначив правую часть уравнения через Q, находим расход воды ,

Площадь поверхности охлаждения дрожжерастильного аппарата

OXJI

(м

)

OXJ1

=Q/{3600KAt

где К - коэффициент теплопередачи от охлаждающей воды к сбраживаемой среде,

кВт/(м-К);

А?

- средняя разность температур сбраживаемой и охлаждающей воды, °С.

На основании опытных данных для аппаратов с рубашками принимают коэф-

фициент теплопередачи К = 0,3 кВт/(м

-К). Расход воздуха на продувание в зависи-

мости от принятой схемы аэрации L =

80...

100 м

/ч на

сбраживаемой среды.

Для забора воздуха из атмосферы, его многоступенчатого сжатия до определен-

ного давления и транспортирования в дрожжерастильный аппарат используется воз-

430

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

духодувная машина центробежного действия. Удельный расход воздуха V

a в этом

аппарате зависит от стадии роста дрожжей и составляет

30...

100 м /(ч-м ). Давление

воздуха, которое должна обеспечивать воздуходувка, определяется сопротивлением

в воздуховоде (р

= 0,005...0,01 МПа), аэрационной системе (р

= 0,01...0,015 МПа) и

воздухоохладителе

{р„

= 0,001...0,002 МПа) и давлением столба жидкости в аппарате

(р

ст

= 0,04...0,09 МПа).

Под действием центробежных сил воздух, захватываемый лопатками рабочего ко-

леса воздуходувки, отбрасывается к ее периферии. При этом сжатый воздух по направ-

ляющим каналам поступает к центральной части рабочего колеса следующей ступени

сжатия. Величина давления воздуха на выходе из воздуходувной машины определяется

частотой вращения ее ротора и числом ступеней сжатия (числом рабочих колес).

Трубчатая аэрационная система, используемая в дрожжерастильном аппарате

ВДА-100, состоит из перфорированных трубок (d

= 0,051 м), расположенных по

всему днищу с определенным шагом S. В поперечном сечении трубки имеют z = 7

рядов отверстий

ome

= 0,0008...0,001 м), расположенных через 15°. На 1 м длины

трубки приходится п\ = 1400 отверстий. Трубки соединяются с воздухораспредели-

тельным коллектором d

= 0,35 м. Число трубок с одной стороны коллектора

тр

44, число отверстий в трубках п = 24 500, длина трубок

общ

100...

175

м.

Общий расход воздуха в трубчатой аэрационной системе определяется из уравнения

где ропр\— давление воздуха на входе и выходе воздуходувной машины, МПа;

- расход воздуха начальный и после его сжатия, м

/ч;

и t\ - начальная темпера-

тура всасываемого воздуха и конечная температура сжатого воздуха, °С.

Расход воздуха в нагнетательном воздуховоде

L, =3600v

где v„ - скорость воздуха в воздуховоде (v

= 16...20 м/с); F

—

площадь сечения воз-

духовода (F= nd

/4; d

- диаметр воздуховода, м).

Аппараты для проведения ферментативных процессов называют ферментато-

рами, а для создания наиболее благоприятных условий жизнедеятельности микро-

организмов - биореакторами.

Оборудование, предназначенное для культивирования микроорганизмов - про-

дуктов биологически активных веществ, называютрас/яильнбшиустановками.

Вибрационные растильиые установки основаны на динамическом методе

выращивания культур грибов в непрерывно движущемся вибрационном слое. Сущ-

ность способа заключается в том, что стерильную питательную среду, смешанную с

посевной культурой, в процессе выращивания подвергают вибрационным колебани-

/{273+ t

/ (273

+ /l

Следует стремиться увидеть в каждой вещи то,

что еще никто не видел и над чем еще никто

не думал.

ЛИХТЕНБЕРГГЕОРГ КРИСТОФ (1742-1799),

немецкий писатель, литературный

и театральный критик, ученый-физик

23.5 ФЕРМЕНТАТОРЫ И БИОРЕАКТОРЫ