Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

204

певного кута повороту барабана завдяки нахиленим перегородкам сповзають

у порожнину між сусідніми витками і в такий спосіб переміщуються в

апараті в протилежному руху рідини напрямі.

Процес екстракції у кожному проміжку між витками (камері) відбувається

прямотечійно, а перехід між камерами здійснюється за принципом

протитечії, тобто має місце змішаний процес. Транспортна система апарата

проста, тверді частинки не деформуються.

4.7. Штучне охолодження

Для одержання низьких температур, які неможливі при охолодженні водою

та повітрям, використовують штучне охолодження, яке необхідне для

скраплення пари та газів, при заморожуванні грунтів, будівництві підземних

споруд, кондиціонуванні повітря, зберіганні продуктів харчування, тощо.

Найбільш відомий спосіб штучного охолодження — це використання

холодильних сумішей (суміш солі та інших речовин з льодом). Суміш

кухонної солі з льодом (22% NaCl) може дати

температуру -21C° суміш хлористого кальцію з льодом (30%

)CaC

дає температуру -55 C° Зарараз використовують такі способи одержання

холоду: Випаровування низькокиплячих рідин. Так, при випаровуванні

рідкого скрапленого аміаку при абсолютному тиску 0,04 Мпа досягають

температури (біля -50 C°)

При зниженні тиску винаровування досягають більш низьких температур.

Розширення зтиснутих газів в розширювальній машині (детандері). Газ при

розширенні здійснює зовнішню роботу за рахунок своєї внутрішньої енергії і

завдяки цьому його температура знижується.

Дроселювання стиснених газів і пари через звуження трубопроводу або іншу

перепону. Цей процес приводить до зниження температури тіла без

здійснення зовнішньої роботи.

Умовно поділяють помірне (до -100 C°)

та глибоке (нижче 100 C°) охолодження. Помірне охолодження здійснюють

абсорційними, компресійними і пароежекторними холодильними машинами,

а глибоке — дроселюванням і розширеням газів.

Найпростішою холодильною машиною є повітряна, в якій холод отримують

розширенням стиснутого повітря в детандері, але її холодильний коефіцієнт

дуже низький. Тому зараз використовують парові компресійні холодильні

машини, що з'явилися у

205

1834 році, в яких холод отримують випаровуванням низькокип-лячих рідких

холодоагентів.

Найменші витрати енергії, тобто найбільший холодильний коефіцієнт

досягається, якщо круговий процес здійснюється за зворотнім циклом Карно

(цикл ідеальної компресійної машини), наведеному на діаграмі T-S (рис.

4.38).

Рис. 4.38. Цикл ідеальної компресійної машини:

І — компресор; II — конденсатор; III— детандер (розширювач); IV—

випарник

Точка 1 відтворює стан пари холодоагента перед компресором. В компресорі

І пара адіабатично стискується (при S - const) — лінія 1-2. В конденсаторі II

відбувається конденсація пари при сталій температурі Тк (лінія 2-3). З

конденсатора холодоагент надходить до детендера III, в якому відбувається

адіабатне розширення (лінія 3-4) з частковим випаровуванням рідини. Потім

холодоагент випаровується у випарнику IV при сталій температурі То (лінія

4-1), повертаючись до первісного свого стану (точка 1).

Теплота, яка витрачається на випаровування холодоагента, дорівнює

холодопродуктивності 1кг холодоагента і зображується площею а-4-1-б-а,

тобто





а теплота, що виводиться в конденсаторі зображується

площею б-2-З-а-в і дорівнює





Затрачена робота у відповідності з енергетичним балансом (робота

компресора мінус робота в детандері) складає

206

S)(ql







і зображується різницею площ б-2-З-а-б та а-4-1-б-а і співпадає з рівнянням

для визначення мінімальної роботи на одержання штучного холоду

















min

Холодильний коефіцієнт цикла дорівнює







Оскільки на діаграмі T-S холодопродуктивність не зовсім зручно визначити,

то при розрахунках використовують "тиск — ентальпія" (діаграми Р-І) на

якій основні лінії діаграми для холодопродуктивності і роботи зображені як

прямі.

207

На рис. 4.39 показано основні лінії діаграми Р-І, а також ізотерми (t = const)

та адіабати (S = const). Лінія ABC є граничною кривою, а точка В відповідає

критичній точці. Область нижча граничної кривої відповідає вологій парі, а

вище і вліво від точки В — рідині. Вище кривої ABC і вправо від точки В —

перегрітій парі. В області вологої пари лінії t = const співпадають з

горизонтальними (Р = const), а в області рідини йдуть близько до вертикалі.

На цій же діаграмі показано цикл ідеальної компресійної машини. Лінії

стиснення (1-2), розширення (3-4) співпадають з лініями S = const, а

випаровування (4-1) і конденсації (2-3) зображені відповідними

)(

випаровування

)(

Критичні точки різні для різних речовин. Для води

)O(

критична точка В

відповідає тиску

= 22,12 МПа,

= 374,15 °C, а для аміаку

)P( 

= 11,65 МПа і

= 132,4°C.

Для найбільш розповсюдженого холодильного агенту фреону-12

(діфтордіхлоретан

)CC

ця точка відповідає

= 4,11 МПа і

= 112,04°C.

В критичних точках різниця властивостей рідини та пари відсутня. При

звичайному циклі Карно теплота перетворюється в роботу і процес іде в

зворотному напрямку, тобто 1-4-3-2-1, що характерно для компресорів,

двигунів внутрішнього згорання, тощо. Термічний ККД цикла Карно

залежить від верхнього зни-

ження температури. Так для 100 °C



= 76,9, для 2000°C



= 87,1.

4.8. Хімічні та біохімічні перетворення

4.8.1. Хімічна кінетика

Розповсюдженими хімічними реакціями в промисловості є гідроліз, тобто

приєднання молекул води до речовини, гідрогенізація, піроліз, полімеризація,

тощо. Наприклад гідроліз крохмалю, що приводить до утворення цукрів

відбувається за такою формою.

COO

525



Гідрогенізація (насичення воднем) жирів:

HHH

22    



Сатурація (насичення вуглицевим газом)

COCO

CCOC

311

122



Піроліз (розклад без доступу повітря при високих температурах) в

середовищі водню називають процес розщеплення великих

208

молекул вуглеводнів на простіші. Під час піролізу можливий такий перебіг

реакцій:

CHCHCH

233



Полімерізація — зєднання однакових молекул в ланцюги. Наприклад,

одержання із етилену

поліетилену

)(

CHCH



тощо.

Одержання синтетичного спирту гідротацією етилену

OHO



Всі ці реакції характеризуються швидкістю перебігу хімічної реакції.

Швидкістю хімічної реакції називають число молекул, які реагують в

одиницю часу. Для порівнювання швидкостей різних реакцій число молекул

відносять до одиниці об'єму. В зв'язку з цим швидкості реакцій визначають

як число молекул або молей даної речовини, що реагують в одиницю часу в

одиниці об'єму. Якщо в об'ємі V знаходиться п молей речовини А, то

концентрація с дорівнює

V/n

а швидкість реакції



записується так







Формально швидкість реакції можна визначити як похідну концентрації

реагуючої речовини за часом, взяту зі знаком "мінус", який означає, що в ході

реакції концентрація реагентів спадає. Швидкість реакції можна виміряти за

накопиченням продукту реакції, а оскільки при перебіганні реакції

концентрація продукту збільшується, то похідна





— додатня.

і формули швидкості виходить, що









Якщо реакція перебігає в ізохоричних умовах (V = const,

)d/dV 0



, то швидкість реакції можна записати

ddV

































Якщо ж при перебігу реакції змінюється об'єм системи, то для розрахунку

швидкості реакції необхідно знати явний вид функції

)(V



для обчислення

похідної



d/dV

При розгляданні кінетики хімічних процесів, в результаті яких об'єм

реагуючої системи

209

практично не змінюється, швидкість реакції типу





можна

записати







де С — концентрація продукту.

За цією формулою визначають миттєву швидкість хімічної реакції.

Миттєву швидкість реакції при ф=0 називають початковою швидкістю

реакції. Визначення швидкостей реакції в початковий та довільний моменти

часу виконують за тангенсом кута нахилу в даній точці

tgd/dc





a (рис.

4.40). В хімічній кінетиці іноді використовують поняття середньої швидкості

реакції за інтервал часу



. Якщо в момент часу



сонцентрація продукту

реакції була рівна

то середня швидкість реакції за інтервал часу







визначається за виразом

























Миттєва швидкість реакції уявляє собою границю значення середньої

швидкості при

0



тобто,







dCC

lim 

При розрахунках середньої швидкості за повний час перебігу реакції



використовують формулу





d)(







В цьому випадку треба встановити кількісну залежність швидкості реакції від

часу, тобто підібрати таку формулу, яка б правильно зобразила б залежність

швидкості реакції протягом всього часу.

Закон дії мас є основним законом хімічної кінетики, відповідно з яким в

самому загальному випадку можна погодитись, що швидкість хімічної

реакції прямо пропорціональна концентраціям реагуючих (діючих) речовин в

деяких степенях

1





де к— стала, яка зветься константою швидкості реакції; .

m — число речовин, які вступають в реакцію;

210

— концентрація і-го реагенту;

— порядок реакції за даною і-ою речовиною;

П — знак добутку.

Зміна концентрації основної початкової речовини та продукту реакції

протягом процесу характеризується кривими, які відрізняються при простих і

складних реакціях, а також для процесів, які перебігають відповідно режиму

ідеального витіснення та повного змішування. Для простих процесів, які

перебігають за режимом ідеального витіснення без зміни об'єму за схемою



концентрація основної початкової речовини

зменшується про-

тягом часу (рис. 4.41) від початкової

до нульової

OA

для зворотних

процесів та до рівноважної

для незворотних. Відповідно концентрація

продукту

збільшується для зворотних процесів від нуля до концентрації

відповідній рівноважній ступені перетворення, тобто

для

незворотних — до

= 1 (крива 1)

4.8.2. Кінетика мікробіологічних процесів

Без мікроорганізмів неможливо існування цілого ряду харчових виробництв.

Біохімічні процеси складають основу всіх бродильних виробництв,

заснованих на: а) використанні дріжджів (етиловий спирт, гліцерин,

хлібопекарські дріжджі, виноробство,

211

Рис. 4.41. Кінетика хімічних реакцій

пивоваріння); б) використання бактерій (ацетоно-бутилове виробництво,

виробництво оцету, молочної і масляної кислот, та інш.); в) використання

плісеневих грибів (лимонна, глюконова, фумаролова, ітиколова кислоти,

пеніцилін, стрептоміцин, тощо). Продукти бродильного виробництва

утворюються в результаті каталітичної дії ферментів мікроорганізмів.

Найбільш розповсюдженою біохімічною реакцією можна вважати спиртове

бродіння (зброджування цукрів дріжджами):

OOH

516

2 

В результаті якої отримують спирт та воду. Молочно-кисле бродіння

спричиняється молочно-кислими бактеріями (кефір, кисле молоко, квашення

капусти, огірків, тощо), а масляно-кислими бактеріями — ацетон, бутиловий

спирт, тощо.

Основними процесами, які характеризують життєдіяльність дріжджів, є

асиміляція та дисиміляція як дві сторони спільного процесу обміну

речовинами. Асиміляція не може існувати без одночасного відбування

дисиміляції. Відрізняють дві форми асиміляції: дихання та бродіння. Процес

дихання відбувається при наявності вільного кисню та приводить до повного

окислення вуглеводів (в тому числі і спирту) з утворенням вуглекислоти та

води. Бродіння характеризується неповним розподілом вуглеводів, але

відрізняються за умовами подальшого перебігання

212

процесу та за характером кінцевих продуктів. Ці відміни широко

використовують в харчових виробництвах. При нестачі повітря дріжджами

зброджують продукти, які знаходяться в живильному середовищі та

одержують етиловий спирт і вуглекислоту. При достатньому притоку повітря

в живильному середовищі спиртове бродіння припиняється, а дріжджі

одержують необхідну для їх розвитку енергію шляхом аеробного дихання. Ці

обставини використовують для вирощування різних рас дріжджів,

необхідних для виробництва різних харчових продуктів, а також в деяких ви-

падках як кормові добавки. Ці два технологічних процеси різного

призначення вимагають різного апаратурного оформлення.

Особливості біохімічних реакцій відображає форма аналітичних рівнянь

хімічної кінетики. Кінетичні закономірності біохімічного каталізу

встановлюють залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації

ферменту, субстрату, активаторів, інгібіторів, а також фізико-хімічних

факторів: температури, тиску, іоної сили, діелектричної проникленості та ін.

Виходячи з припущення, що фермент спочатку утворює фер-мент-

субстратний комплекс із своїм субстратом, а потім цей комплекс

розпадається із звільненням вільного ферменту та продукту реакції, то

рівняння, яке враховує зміну концентрації субстрату, має вигляд

max













Де



max

— теоретична гранична початкова швидкість реакції при

нескінченно великій концентрації субстрату;

— константа, яка характеризує фермент та реакційну сис-

тему;

i S— початкова та миттєва концентрації субстрату.

Експериментально підтверджено, що між швидкістю реакції

та

концентрацією субстрату

існує залежність

,const)x()(

max





де х — стала величина.

Математичне обґрунтування гіпотези про утворення фер-мент-субстратного

комплексу, виходячи із припущення про існування термодинамічної

рівноваги між початковими речовинами фермент, субстрат та фермент-

субстратним комплексом, було дано Л. Міхаелісом та М. Ментен. Вони

розглянули таку односуб-стратну ферментативну реакцію

213

PFFSSF



Відповідно з принципом збереження концентрації речовин в

реакції загальна концентрація ферменту ƒ

дорівнює сумі концентрацій

вільного ферменту ƒ та зв'язаного у вигляді фермент-субстратного

комплексу ƒ



а формула для константи рівноваги





для реакції

F+S+FS

має вигляд

к=

fS,

звідкіля

S)/(k

fff



Тоді для концентрації фермет-субстратного комплексу одержимо

)Sk//(S

 1

Відповідно з кінетичною схемою та законом дії має швидкість реакції v

пропорціональна концентрації фермет-субстратного комплексу, звідкіля з

урахуванням рівняння для швидкості реакції одержимо

)Sk//(

 1



Константу

kkk

/k/

S 11





називають константою Михаеліса, вона має

розмірність концентрації (звичайно, моль/л). На початку реакції



та отже



Тоді рівняння для початкової швидкості реакції можна записати так

SkSk





Це рівняння називають рівнянням Михаеліса-Ментен і воно є одним із

фундаментальних рівнянь кінетики ферментативних реакцій.

Для опису біохімічних перетворень крім рівнянь Михаеліса-Ментен

використовують інші кінетичні співвідношення. Найбільше розповсюдження

одержали рівняння Моно і Моно-Ієрусалимського.

В моделі Моно







);S(C





)S/(S*

max





Де

— початкова і поточна концентрації біомаси;

— початкова і поточна концентрації поживних речовин;



max

— максимальні та поточні швидкості росту біомаси;



— емпіричний коефіцієнт;

214

— константа насичення

Моно. Тобто концентрація субстрату, при якій



max

,50

Моделі Моно-Ієрусалимського відрізняються тим, що питома швидкість

росту мікроорганізмів описується рівнянням

)S/(S

max





),P/(



Де

- константа, що залежна від структури популяції;

Р — концентрація інгібіруючого метаболіту.

Рівняння Моно-Ієрусалимського трохи вдосконалив П.І. Ніколаєв

),S(/()S/(S*

max





Де

- константа росту субстрату, чисельно рівна такій його

кількості, в результаті освоєння якого в одиниці об'єму живильного

середовища утворюється концентрація продуктів обміну, яка приводить до

зменшення швидкості росту мікроорганізмів до величини, рівній половині

максимальної (



max

,50

)

Наведена модель не завжди з достатньою для практичних розрахунків

точністю відображає процеси мікробіологічного синтезу. Ці моделі не

враховують типу та послідовності апаратів, а також одночасного перебігання

процесів ферментативного гідролізу залишків крохмалю в розвитку

популяцій Мікроорганізмів, які мають місце в харчовій промисловості.

Наведені кінетичні закономірності подані в формі звичайних

диференціальних рівнянь першого порядку. Вони можуть бути також

приведені і до інших форм рівнянь: алгебраїчним, трансцендентним та ін..