Реферат
Расчётно-пояснительная записка содержит 34 с., 1 табл., 10 литературных источников.
ДРОЖЖИ, ФЕРМЕНТАЦИЯ, ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ АППАРАТ, ФЛОТАЦИЯ, СЕПАРАЦИЯ, ВАКУУМ-ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА, ШЛАМ, СУСЛО, СУШИЛКА.
Объектом курсового проекта является дрожжевой цех по получению белковых кормовых дрожжей.
Цель работы – расчет материального баланса цеха по получению белковых кормовых дрожжей. Подбор и расчет количества основного технологического оборудования.
В курсовом проекте приведен аналитический обзор литературы, приведено описание технологической схемы цеха по получению белковых кормовых дрожжей, приводится обоснование выбора данной схемы, описывается и обосновывается выбор основного технологического оборудования.
В данном проекте приведен материальный расчет цеха по получению белковых кормовых дрожжей. Произведены расчеты необходимого количества основного и резервного оборудования.
Графическая часть включает:
− технологическая схема − 1 лист А1;
− изображение вакуум-выпарной установки − 1 лист А4.
Введение
В связи с сокращением запасов ископаемого органического сырья в последние годы во всем мире уделяется серьезное внимание вопросам химической и биотехнологической переработки биомассы растительного сырья (фитомассы) – древесины и сельскохозяйственных растений. В отличие от ископаемых источников органического сырья запасы фитомассы возобновляются в результате деятельности высших растений. Ежегодно на нашей планете образуется около 200 млрд. т. растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтез целлюлозы – самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и будущем.
В следующем столетии основными видами органического сырья будут древесина, сельскохозяйственные растения и каменный уголь, в свою очередь имеющий растительное происхождение.
По ориентировочным оценкам мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. В недалеком будущем нас ожидает переход от нефтехимического производства к биохимической и химической переработке древесины и других видов растительного сырья. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов.
Под биотехнологией обычно понимают промышленный биохимический синтез ценных веществ и переработку продуктов биологического происхождения. Производственной основой современной биотехнологии является микробиологическая промышленность, включающая гидролизные производства. Эти производства основаны на реакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридов биомассы одревесневшего растительного сырья с образованием в качестве основных продуктов реакции моносахаридов, которые подвергаются дальнейшей биохимической или химической переработке, либо входят в состав товарной продукции.
Гидролиз растительного сырья – наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать кормовые и пищевые продукты, биологически активные и лекарственные препараты, мономеры и синтетические смолы топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.
В настоящее время гидролизная промышленность занимает ведущее место в мире по выработке основных видов продукции: кормовых дрожжей и технического этанола.
Комплексная программа развития гидролизной промышленности предусматривает увеличение производства всех видов выпускаемой продукции за счет: освоения всеми действующими предприятиями проектных мощностей, введение новых мощностей на ряде действующих предприятий при их реконструкции, строительства и ввода в эксплуатацию новых предприятий, технического перевооружения предприятий на основе принципиально новой техники и технологии.
Промышленное производство микробной белковой биомассы организовано на основе переработки углеводного и углеводородного сырья. Кормовые дрожжи вырабатываются с использованием следующих видов углеводного сырья: гидролизатов древесины и растительных отходов сельскохозяйственного производства и обесспиртованной барды гидролизно-спиртового производства, сульфитных щелоков и предгидролизатов сульфатно-целлюлозного производства.
Микроорганизмы также культивируют на углеводородном сырье: белково-витаминном концентрате (паприне), полученном при выращивании аспорогенных дрожжей на эмульсии н-парафинов в воде, бактериальной микробной биомассе (гаприне), выращиваемой на природном газе, пропускаемом через ферментатор с культуральной жидкостью.
Кормовую микробную биомассу можно также получить при использовании в качестве сырья окисленных углеводородов, в первую очередь метанола и этанола.
Кормовые дрожжи вырабатываются на специализированных гидролизно-дрожжевых заводах производственной мощностью 5-60 тыс. т дрожжей в год, а также на заводах спиртодрожжевого, фурфурольно-дрожжевого и ксилитно-дрожжевого профилей.
Белково-витаминные кормовые дрожжи являются продуктом биохимической переработки моносахаридов, получаемых при гидролизе полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок различных растительных отходов.
Гидролизные дрожжи вследствие высокого содержания в них полноценных, хорошо усвояемых белков, биологически активных веществ − витаминов, ферментов, гормонов и микроэлементов применяются в качестве корма для домашних животных и птиц. Добавка кормовых дрожжей к растительным кормам, богатым углеводами, значительно улучшает их качество и повышает биологическую ценность. Белковые кормовые дрожжи по питательности и усвояемости не уступают кормам животного происхождения. В дрожжах содержится 46-55 % белка, который в свою очередь содержит все жизненно необходимые аминокислоты. В золе кормовых дрожжей содержатся также ценные для животных и птиц макро- и микроэлементы.
Таким образом, кормовые дрожжи, выращенные на гидролизных средах, богаты многими витаминами, входящими в состав различных ферментативных систем и участвующими в белковом и углеводном обмене, окислительно-восстановительных и других биохимических процессах. Содержащиеся в дрожжах ферменты, гормоны и другие продукты микробиологического синтеза играют важную роль в улучшении обмена веществ в организме животных и птиц.
1 Аналитический обзор литературы
1.1 Характеристика сырья
Для химической переработки основное значение имеет растительная биомасса, продуцируемая в лесах. Общая площадь лесов на земном шаре составляет 3620 млн. га. Мировые запасы древесины во всем мире составляют 359 млрд. м3. Заготовка древесины во всех странах мира составляет более 3 млрд. м3. При заготовке древесины в зависимости от типов применяемых рубок выход деловой древесины составляет 50-85%, дровяной 10-25% и лесосечных отходов 15-20% от древесной биомассы. Примерно 30% от заготовленной древесины используется в народном хозяйстве без переработки, остальная часть направляется на лесо- и шпалопиление, в фанерное, спичечное и тарное производство, на получение древесноволокнистых и древесностружечных плит, в целлюлозно-бумажную, гидролизную и лесохимическую промышленность. Химическими методами перерабатывают около 15% заготовленной древесины.
В гидролизном производстве в качестве сырья используют отходы лесопиления и деревообработки, а также низкокачественную стволовую древесину, непригодную для механической переработки.
Отходами производства называются остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образующиеся в процессе производстве основной продукции и утратившие частично или полностью свою потребительную стоимость [1].
К кусковым отходам лесопиления и деревообработки относятся горбыли, рейки, отрезки бревен и пиломатериалов. Горбыль − это отпиленная периферийная часть бревна. Рейки получаются при обрезке и раскрое пиломатериалов по ширине, отрезки − при поперечном раскрое. К мягким отходам относятся опилки, стружка и шлифовальная древесная пыль. К отходам лесозаготовок, образующимся на лесосеках, верхнем и нижнем складах, относятся малоценная древесина, отходы кроны, а также пни и корни.
При современных объемах лесозаготовок и переработки древесины ежегодно образуется около 100 млн. м3 отходов древесины. Используется ежегодно 30 млн. м3 древесных отходов. На распиловку направляется более 30% от общего количества заготовляемой деловой древесины. Общий выход отходов в деревообработке зависит от породы, сортности, размеров и влажности пиломатериалов, характера готовых изделий и равен 20-85% от объема пиломатериалов [3].
На гидролизных заводах перерабатывается ежегодно около 7 млн. м3 древесины, в том числе примерно 80% древесных отходов и около 20% дров. На долю хвойного сырья приходится примерно 60% от общего потребления древесины. На новых гидролизных предприятиях большой производственной мощности в качестве основного сырья используется щепа, получаемая при измельчениидревесины лиственных пород − березы и осины.
Обеспечение сырьем крупных предприятий представляет непростую задачу. В
частности, на заводе мощностью 60 тыс. т дрожжей в год потребность в сырье составляет 720 тыс. м3 древесины. Общая потребность гидролизной промышленности в древесном сырье составляет около 2% от общего объема лесозаготовок, т.е. около 8 млн. м3.
На предприятиях дрожжевого, ксилитного и фурфурольного профиля в качестве сырья, помимо древесины, используют растительные отходы переработки сельскохозяйственного сырья, к которым относят в основном отходы предприятий пищевой промышленности: хлопковую шелуху и лузгу семян подсолнечника − отходы масложировых комбинатов; стержни початков кукурузы, рисовую и гречневую лузгу − отходы крахмалопаточных и крупяных предприятий и другие виды сырья.
При химической переработке растительного сырья методом гидролиза основное значение имеет углеводный состав сырья. С этой точки зрения различают два вида сырья: древесину хвойных пород и пентозансодержащее сырье. К пентозансодержещему сырью относят: древесину лиственных пород, отходы ее механической переработки и одубину − отход получения дубильных экстрактов; растительные отходы переработки сельскохозяйственного сырья; дикорастущие растения; малоразложившийся торф [1].
Пентозансодержащее сырье содержит в 2-3 раза больше пентозанов, чем древесина хвойных пород. Гемицеллюлозы древесины хвойных пород в основном состоят из галактоглюкоманнанов и арабиноглюкуроноксиланов, в то время как для древесины лиственных пород характерны глюкуроноксиланы. По суммарному содержанию углеводов древесина хвойных и лиственных пород примерно равноценна. Теоретически возможный выход моносахаридов при гидролизе составляет 66-72% от абсолютно сухой древесины. На гидролизно-дрожжевых заводах применимо любое сырье. Это связано с утилизацией аспорогенными дрожжами как гексозных, так и пентозных сахаров гидролизата.
В практических условиях на переработку поступают отходы со значительным количеством коры, отличающейся пониженным содержанием полисахаридов. Общее содержание полисахаридов в технологической щепе и древесных опилках составляет 55-65%, в связи с чем выход целевых продуктов гидролиза из технического сырья всегда ниже, чем из окоренной древесины соответствующих пород.
Значительная часть древесины лиственных пород, поступающей на гидролиз, поражена гнилью. С увеличением степени деструкции древесины содержание полисахаридов падает. При гидролизе частично деструктированной древесины отмечено не только снижение выхода общих РВ, но также повышенное содержание в гидролизате редуцирующих веществ неуглеводного строения. Пониженным содержанием полисахаридов отличается тонкомерная древесина лиственных пород от рубок ухода и лесосечные отходы [2].
С технологической точки зрения основной особенностью пентозансодержащего или ксилансодержащего сырья является возможность получения достаточно высокого выхода пищевого ксилита и фурфурола, который зависит прежде всего от содержания пентозанов в сырье. Наиболее богаты пентозанами стержни кукурухных початков и хлопковая шелуха, а также овсяная лузга.
Для гидролизного производства важное значение имеет показатель активной зольности, который обычно выражают количеством серной кислоты, взаимодействующей с минеральными компонентами сырья. Зольность древесного сырья обычно составляет 0,2-0,5%, в связи с чем дополнительный расход серной кислоты при гидролизе древесного сырья обычно в 2-3 раза ниже, чем при гидролизе растительных отходов сельскохозяйственного производства.
На скорость процессов гидролиза, на состав промежуточных и конечных продуктов влияет не только химический состав сырья, но и его физическая структура, плотность, гранулометрический состав.
1.2 Методы гидролиза
Существует большое разнообразие методов и технологических приемов гидролиза растительного сырья, что связано со значительным числом факторов, влияющих на кинетику процесса. На скорость реакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридов и реальный выход моносахаридов оказывают влияние химическая микрокинетика и макрокинетические факторы , которые связаны с технологической характеристикой сырья, с техническими приемами гидролиза и конструкцией оборудования [1].
Из кинетических факторов на процесс гидролиза основное влияние оказывают реакционная способность и агрегатное состояние полисахаридов, активность и концентрация катализатора и температура процесса.
При гидролизе растительного сырья разбавленными кислотами процесс гидролиза легкогидролизуемых полисахаридов начинается в гетерогенных условиях и завершается в гомогенных. Гидролиз трудногидролизуемых полисахаридов протекает в гетерогенных условиях, хотя при этом не удается определить границу раздела фаз из-за проникновения раствора катализатора в субмикроскопическую структуру клеточных стенок растительного сырья. Повышение удельной поверхности растительного сырья в результате тонкого механического размола приводит к росту скорости гидролиза полисахаридов. Однако при таком размоле может происходить не только увеличение поверхности, но и активация полисахаридов путем нарушения их надмолекулярной структуры. Перевод полисахаридов в раствор повышает их реакционную способность.
При автогидролизе катализатором процесса является уксусная кислота, образующаяся в результате реакции деацетилирования гемицеллюлоз.
При классификации методов гидролиза по температуре выделен способ активации полисахаридов при замораживании (-10 0С), низкотемпературный гидролиз (25-45 0С) концентрированными кислотами, гидролиз разбавленными кислотами при повышенной температуре (100-190 0С) и высокотемпературный гидролиз (200-250 0С). На практике с целью увеличения скорости процесса гидролиз растительного сырья проводят при повышенной температуре, т.е. используется термический метод подвода энергии и каталитической активации полисахаридов. Наряду с этим в стадии проработки находятся механохимический и радиационный методы повышения реакционной способности полисахаридов при гидролизе. Все промышленные режимы гидролиза осуществляются в неизотермических условиях.
В химической кинетике выделяют гомофазные и гетерофазные процессы. В гомофазных процессах все исходные, промежуточные и конечные вещества находятся в пределах одной фазы; в гетерофазных процессах компоненты образуют более чем одну фазу.
Из макрокинетических факторов на выход моносахаридов основное влияние оказывают диффузионные, гидродинамические и геометрические факторы, а также величина гидромодуля. Если кинетика процесса определяется скоростью диффузионного сближения реагентов, то реакция протекает в диффузионной области. В кинетической области скорость процесса определяется скоростью химических превращений реагирующих веществ. При гидролизе мелкодисперсного сырья скорость диффузионной пропитки гидролизуемых частиц раствором катализатора значительно выше скорости гидролиза. Размер частиц гидролизуемого сырья влияет как на гидродинамику перколяционного процесса, так и на диффузионные процессы выведения сахаров из зоны реакции [2].
Маломодульный гидролиз обычно поводят при величине гидромодуля по свободно удерживаемой влаге. К маломодульному можно отнести гидролиз при рабочем запасе жидкости, соответствующем уровню сырья. Перколяционный гидролиз проводят как при коротком гидромодуле (9-12), так и при высоком модуле (14-18).
Процесс гидролиза может проводиться в статических условиях или в потоке. Под статическими условиями в химической кинетике понимают такие условия, при которых отсутствует принудительный поток реагирующих веществ в заданных направлениях. Основные варианты процесса гидролиза проводятся в динамических условиях: перколяционный гидролиз в потоке раствора катализатора; непрерывный гидролиз в потоке твердой фазы и жидкой фазы.
На процесс вытеснения сахара большое влияние оказывает агрегатное состояние фазы между частицами гидролизуемого сырья. По этому признаку различают парофазный и жидкофазный процессы. Химическая реакция гидролиза при этом протекает в толще гидролизуемых частиц и гидролизуемые полисахариды находятся в твердой фазе, а раствор катализатора − в жидкой фазе.
В химической кинетике рассматривают замкнутые (закрытые) и незамкнутые (открытые) системы. В замкнутых системах возможен обмен энергией с окружающей средой, но не веществом. В эти системы во время реакции не проводится подача исходных веществ и выведение продуктов реакции. Примером замкнутой системы может служить одноступенчатый гидролиз в статических условиях.
Незамкнутые системы обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. В незамкнутых системах в реактор подают реагенты или катализаторы либо выдают продукты реакции. К незамкнутым системам в зависимости от технических признаков можно отнести многоступенчатый, перколяционный и непрерывный методы гидролиза [3].
При одноступенчатом гидролизе загрузка сырья и раствора катализатора в реактор проводится до начала реакции, выгрузка всех продуктов реакции − после полного завершения процесса. При многоступенчатом и перколяционном гидролизе сырье и раствор кислоты также загружаются в гидролизаппарат до начала реакции, но гидролизат из реактора отбирают до завершения процесса гидролиза. При перколяционном гидролизе подача раствора катализатора и выдача гидролизата из зоны реакции осуществляется непрерывно.
При периодической загрузке сырья в гидролизаппарат производится многократное повторение цикла: загрузка сырья – гидролиз – выгрузка твердого остатка. Для повышения производительности основного технологического оборудования и стабилизации параметров процесса более предпочтительны непрерывная подача сырья в гидролизаппарат и непрерывная выдача твердого остатка.
На выход моносахаридов при перколяционном гидролизе влияет продолжительность их пребывания в зоне реакции, которая в свою очередь зависит от скорости выдачи гидролизата. Изменяя конструкции устройств для подачи раствора катализатора и выдачи гидролизата, обеспечивают направление жидкостных потоков в вертикальном или горизонтальном направлении. Более благоприятные гидродинамические условия обеспечивает перколяция с восходящим током жидкости.
Технологические параметры гидролиза растительного сырья разбавленными кислотами в значительной степени зависят от реакционной способности гидролизуемых полисахаридов и вида целевой продукции.
В двухстадийных режимах перколяционного гидролиза боле полно учитывается различие в реакционной способности гемицеллюлоз и целлюлозы. По двухстадийным режимам проводится раздельная выдача гемицеллюлозного гидролизата или фурфуролсодержащих паров и гексозного гидролизата.
В настоящее время в промышленных условиях на предприятиях дрожжевого профиля применяют методы гетерогенно-гомогеного жидкофазного высокомодульного одно- и двухстадийного перколяционного гидролиза растительного сырья разбавленной минеральной кислотой в аппаратах периодического действия [1].
1.3 Сырье для производства кормовых дрожжей
Получение кормовых дрожжей основано на максимальной скорости образования дрожжами биомассы в питательной среде, содержащей все элементы, необходимые для их жизнедеятельности. В промышленных условиях для производства кормовых дрожжей применяют следующие питательные среды [3]:
1. Пентозно-гексозные гидролизаты, получаемые при гидролизе всех полисахаридов, содержащихся в растительном сырье. Эти гидролизаты представляют собой сложную смесь различных органических соединений, утилизируемых дрожжеподобными грибами. К ним относятся гексозные (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза) и пентозные (ксилоза, арабиноза) сахара. В качестве энергетического материала дрожжи используют органические кислоты − уксусную и частично левулиновую.
2. Гексозные гидролизаты, получаемые гидролизом целлолигнина, который остается после удаления пентозанов при получении фурфурола или ксилита.
3. Предгидролизаты, состоящие из продуктов гидролиза гемицеллюлоз. Они получаются при водном или кислотном гидролизе гемицеллюлоз древесины. Водные предгидролизаты, содержащие декстрины, предварительно инвертируются.
4. Сульфитный щелок, получаемый при варке хвойной и лиственной древесины и содержащий гексозы, пентозы и органические кислоты.
5. Барда гидролизно- и сульфитно-спиртовых заводов, состоящая из пентоз и органических кислот.
6. Отеки, получаемые при производстве кристаллической ксилозы и глюкозы из различных растительных отходов.
1.4 Стадии получения кормовых дрожжей
Для выращивания кормовых дрожжей необходимо получить биологически доброкачественные субстраты, что осуществляется в ходе технологического процесса подготовки гидролизатов и других сред к биохимической подготовке. Эта подготовка состоит в инверсии декстринов и олигосахаридов до моносахаридов, 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 особенностей подготовки субстратов к выращиванию кормовых дрожжей: обогащение среды фосфором, азотом и калием, подача аммиачной воды в дрожжерастильные чаны для поддержания pH среды, более глубокое охлаждение, подбор микроорганизмов и получение чистой культуры, разбавление сусла до оптимальной концентрации редуцирующих веществ, подготовка и очистка воздуха. Для нормальной жизнедеятельности дрожжей и интенсивного биосинтеза белка субстрат должен содержать кроме гексозных и пентозных сахаров также азот, фосфор, калий и микроэлементы.
Для выращивания кормовых дрожжей необходимо подбирать культуры микроорганизмов, дающих в оптимальных условиях максимальный выход дрожжевой массы, синтезирующих многие витамины и другие биологически активные вещества, устойчивых к вреднодействующим веществам гидролизной среды, способных полностью использовать все ее питательные вещества. В дрожжевой промышленности ведется работа по отбору из производственных сред новых культур, обладающих полезными свойствами. После размножения в стерильных условиях продуктивные культуры внедряют в производство. Для стабильного удерживания в дрожжерастильных аппаратах урожайной культуры дрожжей применяется подсев чистой культуры, выращиваемой в специальном отделении. Чистая культура − это дрожжи, не содержащие посторонних примесей. Приготовление чистой культуры заключается в постепенном культивировании дрожжей по особому режиму, в стерильных условиях, начиная от небольшого числа клеток в лабораторной пробирке и кончая большим количеством дрожжей в дрожжерастильных аппаратах. Аппараты, в которых происходит выращивание чистой культуры, снабжены воздухораспределительной системой, змеевиками для пологрева или охлаждения питательной среды и барботерами для пропарки [3].
На скорость накопления биомассы дрожжей большое влияние оказывает концентрация РВ в субстрате. В промышленных условиях при содержании РВ выше 1,-2,0% происходит неполная их утилизация и выращивание дрожжей идет медленно. Целесообразнее разбавлять сусло последрожжевой бражкой с целью более глубокого использования пентозных сахаров, минеральных солей, повышения выхода товарных дрожжей, экономии свежей воды и сокращения объема сточных вод. Процесс выращивания кормовых дрожжей осуществляется при энергичном потреблении кислорода, это процесс аэробный. Количество потребляемого кислорода достигает 80% от получаемого сухого вещества. Так как дрожжи усваивают только мелкодиспергированный, растворенный в жидкой среде кислород, количество его должно быть достаточно для нормального размножения и роста дрожжей. Поэтому с целью получения максимальных выходов биомассы выращивание дрожжей ведется при непрерывном и интенсивном продувании среды воздухом [2].
На скорость прироста дрожжей влияет также перемешивание окружающей среды. Хорошее перемешивание способствует диспергированию и растворению кислорода, ускорению проникновения его и питательных веществ в дрожжевые клетки, а также удалению продуктов их обмена. В дрожжерастильных аппаратах устанавливают разнообразные вохдухораспределительные системы: барботажную, систему с механическими средствами распыления и турбоаэрационную, эрлифтную, вибрационную.
Барботажная система воздухораспределения основана на принципе распыления воздуха в начале ввода его в среду. Однако уменьшение сечения отверстий для воздуха и увеличение их количества, а также применение пористых материалов привело к значительному увеличению мощности электродвигателей воздуходувных машин. Барботажная система не обеспечивает досиаточного диспергирования воздуха и интенсивного перемешивания среды, что приводит к неравномерному распределению дрожжей по высоте аппарата и снижению выхода биомассы.
Для усиления диспергирования воздуха в жидкости применяют ситемы с механическим или турбоаэрационным распылением воздуха. Измельчение крупных пузырьков воздуха в жидкости осуществляется с помощью различных вращающихся приспособлений. Однако даже применение многоярусных мешальных устройств с большим числом оборотов не обеспечивает нужной вертикальной циркуляции жидкости и воздуха.
Одной из лучших воздухораспределительных систем является эрлифтная. При этой системе воздухораспределения давление воздуха не теряется при вводе в дрожжерастильный аппарат, а используется для создания циркуляционных потоков, выравнивающих концентрацию воздуха, дрожжей, питательных веществ по всей высоте и объему аппарата. При этом неиспользованный воздух увлекается нисходящим потоком, что приводит к снижению расхода воздуха на выращивание дрожжей. Применяется также вибрационная система воздухораспределени. Преимущество этой системы состоит в том, что под влиянием выращивающегося под давлением воздуха вибрирующая пластинка производит колебательные движения, дающие наибольший эффект контактирования воздуха со средой [1].
Также применяются дрожжерастильные чаны с системой шайбового воздухораспределения в основном для выращивания дрожжей на послеспиртовой барде. Недостатком работы чанов на этой конструкции является неполное использование емкости вследствие образования мертвой зоны под шайбой, недостаточная диспергация воздуха, низкий коэффициент использования кислорода воздуха, значительный расход электроэнергии на приведение во вращение шайбовых устройств.
Одной из эффективных конструкций дрожжерастильных аппаратов является аппарат системы ВНИИгидролиза высокой производительности с вибрационно-рассредоточенной системой воздухораспредления и встроенным флотатором. В этом аппарате происходит одновременно непрерывный процесс накопления биомассы и отделение дрожжевой суспензии методом флотации.
Воздух, подаваемый в дрожжерастильные аппараты, должен быть максимально чистым и не зараженным посторонними микроорганизмами. Для освобождения воздуха от механических примесей на всасывающей линии ставят жалюзийные решетки ли фильтры, в которых происходит обеспыливание [4].
По техническим условиям, товарные кормовые дрожжи должны быть получены в сухом виде с содержанием 8-10% влаги. Для этого дрожжевую суспензию, отбираемую из дрожжерастильных чанов, сгущают, выпаривают и высушивают. Наиболее рациональным способом сгущения дрожжевой суспензии является флотирование и сепарирование. Флотационный способ основан на способности дрожжевых клеток концентрироваться в пене при продувании среды воздухом, т.е. флотироваться в пену из жидкости. Жидкость при этом обедняется дрожжами. Флотаторы применяются для сгущения дрожжевой суспензии вместо сепараторов первой группы. Флотационный метод выделения дрожжей имеет ряд преимуществ по сравнению с сепарационным: сокращается количество дорогостоящих сепараторов, следовательно и капиталовложения, сокращаются эксплуатационные расходы на ремонт сепараторов, затраты электроэнергии, надежно обеспечивается непрерывный процесс выделения дрожжей из бражки; дрожжи, получаемые способом флотирования, имеют более высокие показатели по содержанию белка, по вкусу, цвету и зольности. Извлечение дрожжей из бражки и концентрирование их происходит во флотаторе.
Для улучшения качества кормовых дрожжей по вкусу, цвету и содержанию в них белка дрожжевую суспензию промывают водой при помощи водоструйного насоса эжектора, который устанавливается между двумя группами сепараторов [1].
Для снижения расхода пара на сушку дрожжей концентрация сгущенной на сепараторах дрожжевой суспензии может быть повышена на вакуум-фильтрах. На вакуум-фильтрах дрожжевая суспензия сгущается до 20-22% сухих веществ. Более производительным, простым и удобным является способ упаривания дрожжевой суспензии в системе выпарных аппаратов. Однако перед поступлением в вакуум-выпарной аппарат дрожжевой концентрат поступает в плазмолизатор для снижения пенообразования в испарителях выпарных аппаратов, а также для исключения образования сгустков дрожжей, которые отрицательно влияют на процесс упаривания, где нагревается глухим паром с последующим выдерживанием с целью гомогенизации суспензии. При плазмолизе также обеспечивается подавление жизнедеятельности вегетативных клеток микробной биомассы. В качестве плазмолизаторов используют преимущественно теплообменники труба в трубе. Плазмолиз и дегазация стабилизируют процесс вакуум-выпарки дрожжевой суспензии в связи с уменьшением пенообразования в сепарационной камере выпарного аппарата и снижением способности дрожжей к агломерации с образованием комков и осадков.
Наибольшее распространение получила двухкорпусная вакуум-выпарная установка, работающая по непрерывному способу с принудительной циркуляцией. Принцип работы выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией обеспечивает лучшие условия и большие скорости циркуляции упариваемой жидкости, а следовательно, и более высокий коэффициент теплопередачи. Установка состоит из выпарных аппаратов с выносными трубчатыми подогревателями, испарителей, связанных между собой соединительной и циркуляционной трубами, барометрического конденсатора, вакуум-насоса для создания вакуума в выпарной системе и насосов для принудительной циркуляции дрожжевой суспензии. Аппараты с выносными подогревателями легкодоступны для чистки или ремонта.
Для получения сухих дрожжей, пригодных к длительному хранению и перевозкам, применяются различные способы сушки. На заводах малой производительности, работающих преимущественно на спиртовой барде, используются вальцовые сушилки с испарительной способностью до 1 т влаги в час. На заводах большой мощности применяются более производительные распылительные сушилки с испарительной способностью от 4 до 15 т влаги в час. Сушка дрожжевого концентрата должна происходить в условиях, в которых не разрушались бы содержащиеся в дрожжевых клетках аминокислоты, витамины и другие ценные вещества [2].
Дрожжи, высушенные на вальцовых сушилках, имеют вид тонких, хрупких, полупрозрачных листочков желтого или коричневого цвета. В таком виде они имеют небольшую объемную массу, что затрудняет их упаковку. Поэтому сухие дрожжи подают в мельницу, измельчающую их до состояния муки. Недостатком вальцовых сушилок является также то, что дрожжи в процессе сушки на поверхности барабана подвергаются действию температуры 150-160 0С, что приводит к частичному разложению белка, аминокислот и витаминов. В производстве кормовых дрожжей наибольшее распространение получили распылительные сушилки. Процесс сушки основан на тонком распылении дрожжевого концентрата в камере, заполненной горячим воздухом. Мелкие капли дрожжевого концентрата в этих условиях быстро высыхают и в виде светло-желтого порошка падают на дно сушилки.
В некоторых сушилках дрожжевой концентрат распыляется при помощи форсунок. В распылительных сушилках белок и аминокислоты лучше сохраняются от термического разложения, и выход белка возрастает на 5% по сравнению с выходом пи сушке на вальцовых сушилках.
Для упаковки сухих кормовых дрожжей применяют клапанные или открытые бумажные мешки. Открытые мешки после загрузки зашивают на строчной машине или завязывают, а для клапанных эта операция исключается. В бумажные мешки загружают 20-30 кг дрожжей [3].
В настоящее время большое внимание уделяется вопросу витаминизации кормовых дрожжей, так как эффективность их применения в сельском хозяйстве зависит от содержания не только белка, но и витаминов. Основным способом обогащения их витамином D2 в производственных условиях является облучение живых дрожжей ультрафиолетовыми лучами перед сушкой. Благодаря облучению содержащийся в дрожжах провитамин эргостерин превращается в витамин D2. Облучение происходит в витаминизаторах или облучателях различной конструкции через стенки кварцевых трубок, по которым циркулирует дрожжевая суспензия, или прямым воздействием на дрожжи ультрафиолетовых лучей [2].
1.5 Очистка сточных вод
Получение различных продуктов гидролизного производства связано с потреблением больших количеств воды. В процессе производственного использования вода меняет свои физико-химические свойства, загрязняется, нагревается и удаляется с завода. Такая вода носит название сточной. Основным загрязняющим стоком гидролизно-дрожжевого производства является отработанная культуральная жидкость.
В сточные воды гидролизных заводов поступает спиртовой и фурфурольный Лютер, последрожжевая бражка, сивушные, эфиро-альдегидные и скипидарные фракции, мертвые дрожжи, выводимые из бродильных чанов, вода с охладительных установок. Значительное количество сточных вод получается при мытье заводского оборудования и производственных помещений.
До последнего времени ряд гидролизных заводов спускал производственные сточные воды в естественные водоемы. В этом случае в водоемах активно развиваются аэробные микроорганизмы − минерализаторы, окисляющие органические вещества сточной воды и превращающие их в минеральные − нитраты, нитриты, фосфаты, карбонаты, сульфаты, углекислоту и воду. В результате солевой состав водоемов, в них преобладают соли кальция. Такие изменения в составе водоемов наносят большой вред флоре и фауне. Наблюдается сокращение видимого состава водорослей, фитопланктона, развитие нитчатых бактерий которые обволакивают икру и жабры рыб, а также мелких беспозвоночных кормовых организмов и вызывает их гибель. Спуск неочищенных сточных вод в водоемы приносит большой вред рыбному хозяйству, вызывая заболевания и гибель рыб, сокращая места пастбищ и нереста. Окраска промышленных стоков и их запах ухудшают качество речной воды. Поэтому сточные воды перед спуском в естественные водоемы должны подвергаться очистке и обезвреживанию, в результате чего концентрация загрязнителей должна снизится до нормы [1].
Существует несколько методов очистки сточных вод: механический, физико-химический, химический и биологический. В основе биологического метода лежит жизнедеятельность аэробных микроорганизмов − минерализаторов, под влиянием которых происходит биохимическое окисление органических веществ. Так как сточные воды гидролизных заводов содержат большое количество органических загрязнений, доступных биохимическому окислению, то для их очистки наиболее рациональным и подходящим оказался биологический метод. Эффективность очистки стоков биологическим методом составляет 95%. Кроме растворенных, тонкодиспергированных органических веществ, которые в процессе жизнедеятельности микроорганизмов минерализуюся, в сточных водах содержатся взвешенные вещества − гипс, песок, известь, лигнин, опилки, мелкая щепа, мертвые дрожжи и другие примеси. Сброс производственных сточных вод в водоемы допускается при минимальном содержании в них взвешенных веществ. Часть из них оседает на дно очистных сооружений, отрицательно влияя на их работу и деятельность микроорганизмов. Для освобождения от взвешенных веществ производят механическую очистку сточных вод [1].
1.6 Защита атмосферы от промышленных выбросов
Для гидролизных предприятий характерны постоянные и периодические выбросы. В связи с несовершенством технологических процессов и оборудования в атмосферу поступает аэрозоль, содержащий воздух, неконденсирующиеся газы, пары воды и органических примесей, мелкодисперсные капли жидкости и твердые частицы исходного сырья, лигнина, дрожжей, золы.
Отрицательное влияние парогазовых выбросов в окружающую среду в первую очередь связано с наличием фурфурола. На санитарное состояние атмосферы также влияет выброс из ферментаторов с отработанным воздухом живых клеток продуцента (аспорогенных дрожжей) и продуктов белковой природы в отработанном воздухе после распылительных сушилок. Повышенное содержание этих примесей в воздухе может привести к аллергическим заболеваниям человека.
Помимо выбросов основных производственных цехов существуют выбросы котельных. По количеству загрязнений выбросы котельных составляют 60% от всех выбросов, в том числе 20-25% приходится на нетоксичную пыль и столько же на диоксид серы, 10-15% на диоксид углерода и 3-5% на оксид углерода, Выброс золы составляет в среднем 8,5 кг/т абс. Сухого сырья.
Для снижения отрицательного влияния газовых выбросов на
2 Выбор и обоснование технологической схемы производства
2.1 Основные стадии производства кормовых дрожжей
Технологическая схема производства белковых кормовых дрожжей включает две основные стадии:
ферментация − выращивание дрожжей, накопление биомассы;
концентрирование.
Концентрирование в свою очередь включает в себя сепарацию, плазмолиз − разрушение живых клеток, вакуум-выпаривание и сушку.
Процесс биосинтеза (ферментация) требует создания наиболее благоприятных условий для размножения продуцируемой культуры микроорганизмов. Как правило, в субстрате существует ассоциация культур, в которых кроме главного, наиболее урожайного, штамма входят другие штаммы, а возможно и штаммы других родов. Эти спутники обеспечивают главную культуру недостающими для жизнедеятельности компонентами. В процессе образования и подготовки субстрата возможно его заражение, содержащейся в воздухе “дикой” микрофлорой. Чтобы исключить это явление и обеспечить постоянство состава микроорганизмов в технологическую систему вводят непрерывно или периодически основную монокультуру, специально выращенную в отделении “чистой культуры”. Наращивание “чистых культур” проводится в емкостях нарастающего объема, после лабораторной стадии “чистая культура” поступает в дрожжанку, а далее в дрожжерастильный аппарат. Дрожжевая суспензия передается в основной производственный поток и через 7 суток процесс получения “чистой культуры” вновь воспроизводится с лабораторной стадии[1].
2.2 Стадия ферментации
Качественные показатели процесса накопления биомассы определяются рядом факторов. Система воздухораспределения в аппаратах должна обеспечить такое его диспергирование, в результате которого достигается глубокий контакт клеток с растворенным кислородом. В настоящее время существуют аппараты с барботажной системой воздухораспределения. Аппараты этого типа имеют сравнительно небольшую вместимость и производительность и в настоящее время применяются на установках по получению чистых культур микроорганизмов, а также в цехах по получению пищевых дрожжей на мелассной основе. К аппаратам барботажного типа относятся также аэротенки, которые используются при биологической очистке сточных вод.
В дрожжевых цехах в свое время широкое распространение получили ферментаторы с шайбовым воздухораспределением с объемом 150-250 м3, имеющиеряд модификаций. Недостатком работы чанов этой конструкции является неполное использование емкости вследствие образования мертвой зоны под шайбой, недостаточная диспергация воздуха, низкий коэффициент использования кислорода воздуха, значительный расход электроэнергии на приведение во вращение шайбовых устройств. Для выращивания дрожжей применяются также аппараты емкостью 250 м3, в которых механическое распыление воздуха осуществляется с помощью вращающихся перфорированных лопастей в виде полых пропеллеров, имеющих мельчайшие отверстия. Через них воздух входит в жидкость, распыляется в ней и поднимается вверх. В этом случае расход воздуха на 30-40% меньше, чем в случае барботажной системы [2].
Особенностью и достоинством дрожжерастильного аппарата с эрлифтной системой воздухораспределения является отсутствие движущихся механизмов, что существенным образом снижает удельный расход электроэнергии, т.е. такие аппараты являются наиболее экономичными. Одним из высокопроизводительных является дрожжерастильный аппарат с эрлифтной многозонной системой воздухораспределения. Большой эффект дают дрожжерастильные чаны с вибрационной системой воздухораспределения, основанной на принципе возбуждения колебаний звуковых и ультразвуковых частот в струе подаваемого в жидкость воздуха. Основным элементом этой системы является наличие в отверстии на выходе воздуха вибрационной пластинки. Под влиянием вырывающегося под давлением через зазор воздуха пластинка вибрирует, производя колебательные движения, способствующие соприкосновению воздуха с питательной средой и лучшему его растворению. В чане емкостью 250 м3 устанавливается 6-8 воздухоподводящих точек, расположенных равномерно по всему чану в виде паука. Такая рассредоточенная по всему днищу чана система воздухораспределения увеличивает поверхность контакта воздушной и жидкостной фаз, улучшает циркуляцию сусла и снабжение его кислородом, а следовательно повышает производительность дрожжерастильных аппаратов. Положительным является также равномерное распределение дрожжевой массы в аппарате, отсутствие застойной зоны, уменьшение расхода электроэнергии.
Каждый аппарат снабжен воздуходувкой. Расход воздуха 25 м3 на кг сухих дрожжей. Концентрация дрожжей или биомассы после выращивания составляет 30-40 г/л по прессованным дрожжам (прессованные дрожжи имеют влажность 75% и только 25% сухого вещества).
В процессе жизнедеятельности дрожжей выделяются продукты метаболизма, в основном органические кислоты (среда окисляется). Для поддержания Ph подается аммиачная вода. Часть отработанной культуральной жидкости последрожжевой бражки (до 30%) может быть направлена на разбавление сусла вместо свежей воды. Концентрация сухих в суспензии 1%, влажных дрожжей 99%. Необходимо получить дрожжи с влажностью не более 10% [4].
В данной технологической схеме будем использовать конструкцию дрожжерастильного аппарата с эрлифтной системой воздухораспрседеления (4-диффузорный) с рабочим объемом ферментатора 1300 м3.
2.3 Виды флотаторов
Дрожжевые клетки обладают способностью флотироваться в пене, т.е. дрожжевые клетки прилипают к пузырькам воздуха. Жидкость при этом обедняется дрожжами. Флотаторы применяются для сгущения дрожжевой суспензии. Типовой флотатор представляет из себя цилиндрическую емкость с внутренней обечайкой. Кольцевое пространство между стенками цилиндров разделено не доходящими до дна стенками на 5 секций, между первой и пятой секциями сплошная перегородка. Дрожжевая суспензия поступает самотеком в первую секцию, где происходит флотирование основного количества дрожжей. Культуральная жидкость последовательно проходит через остальные секции, где флотационное выделение дрожжей обеспечивается путем подачи воздуха. В флотаторе концентрация дрожжей достигает 100-150 г/л (по прессованным).
Существует одноступенчатый пятисекционный флотатор с производительностью 100 м3/ч. Данный аппарат прост по устройству, легко доступен для изготовления и освоения. Недостатком его является смешение дрожжевой 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 коэффициент флотации составляет обычно 4-6, в то время как в первой секции, где выделяется до 80% общего количества дрожжей, коэффициент флотации доходит до 15-16. В целях получения из флотатора концентрированной дрожжевой суспензии была разработана конструкция флотатора, в котором пена из первой и последующих секций флотации отбирается отдельно.
Используются также двухступенчатые флотаторы, в котором обе ступени флотирования совмещены. Основное преимущество данной конструкции заключается в ее компактности в связи с объединением двух ступеней флотирования в одном корпусе аппарата. Однако, недостаточность объема 2-ой ступени флотирования не позволяет значительно снизить потери дрожжей в связи с уносом их с отработанной жидкостью. Также используются цилиндрические и конические флотаторы. Основным преимуществом конического флотатора является то, что его форма улучшает условия отвода дрожжевой пены в стакан [5].
Для концентрирования дрожжей рекомендуются пневматические флотаторы конструкции ВНИИСинтезбелок. В отличие от других флотаторов в данной конструкции предусмотрены узлы для интенсивного диспергирования воздуха. Напорные флотаторы относятся к перспективным флотаторам для выделения активного ила и дрожжей. Электрофлотаторы на современном этапе проходят стадии полупромышленных и промышленных испытаний. После решения ряда проблем могут эффективно использоваться при выделении микроорганизмов[8].
2.4 Виды сепараторов
Дальнейшее концентрирование дрожжевой суспензии проводят на двух ступенях сепараторов: концентрация на первой ступени 200-300 г/л, на второй 500-600 г/л. Разработаны конструкции сепараторов производительностью 60-80 м3/ч с системой безразборной мойки с автоматическим регулированием степени сгущения концентрата. В зависимости от назначения сепараторы бывают разных конструкций. В дрожжевой промышленности применяют сепараторы открытого типа, полугерметичные и герметичные [2].
Открытые сепараторы имеют приемный сосуд, в который бражка свободно сливается из трубопровода. Под напором столба жидкости бражка, пройдя фильтрующую сетку, свободно поступает в распределительную трубу сепаратора. Отработанная жидкость выбрасывается через отверстие в верхней части барабана в верхнюю приемную камеру, откуда самотеком сливается через штуцер в открытый лоток, в воронку или сборник. Дрожжевая суспензия выводится из барабана через отверстия в мундштуках, собирается в нижней приемной камере и также самотеком через штуцер выводится в лоток.
У полугерметических сепараторов подача готовой бражки и отвод отработанной жидкости осуществляется под напором, а дрожжевая суспензия выводится самотеком. У таких сепараторов отсутствует приемный сосуд, а готовая бражка поступает из трубопровода, непосредственно присоединенного к распределительной трубе сепаратора. У этих сепараторов отсепарированная бражка выводится без напора, производительность данных сепараторов составляет 35000 л/ч.
У герметических сепараторов ввод готовой бражки, а также вывод отсепарированной жидкости и дрожжевой суспензии осуществляется под напором. Герметические сепараторы обеспечивают более стерильные условия сепарирования, исключают выделение влаги и углекислоты в рабочее помещение и не требуют обязательного расположения их над сборниками дрожжевой суспензии. Разработана конструкция сепаратора, который рассчитан на производительность до 80 м3/ч. При работе сепаратор под давлением до 0,2-0,3 Мпа выбрасывает дрожжевую суспензию и отработанную жидкость, в связи с чем не требуется установки промежуточных емкостей между отдельными группами сепараторов.
После первой ступени сепарации производят промывку водой в водоструйном насосе. Промывка проводится с целью удаления продуктов метаболизма и красящих веществ, улучшается качество выпускаемой товарной продукции.
После сепараторов дрожжевая суспензия поступает на плазмолиз для снижения пенообразования в испарителях выпарных аппаратов, а также для исключения образования сгустков дрожжей, отрицательно влияющих на процесс упаривания. Дрожжевая суспензия выдерживается около часа в теплообменнике труба в трубе при температуре 120 0С. При этом разрушается клеточная оболочка и жидкость вытекает, т.е. дрожжевые клетки погибают. Снижается вязкость дрожжей, что обеспечивает лучшие условия работы в вакуум-выпарных аппаратах
Широко используются сепараторы СОС-501 К-3, которые представляют собой сепараторы-сгустители непрерывного действия тарельчатого типа с непрерывным центробежным сопловым выводом из барабана сгущенной суспензии и свободным сливом отработанной культуральной жидкости. Однако существенным недостатком сепараторов данной конструкции является быстрая засоряемость мундштуков и межтарельчатого пространства механическими включениями и мертвыми дрожжами[3].
2.5 Виды вакуум-выпарных аппаратов
Далее дрожжевая суспензия поступает на вакуум-выпарные аппараты. Для снижения интенсивности термического распада витаминов дрожжевой массы выпарку проводят под вакуумом при температуре не выше 80-85 0С. С целью экономии тепла упаривание проводят на двух- или трехкорпусных вакуум-выпарных батареях, концентрация дрожжей при этом повышается от 12-15% до 20-25% по абс. сухим веществам. Схема двух- или трехкорпусной выпарки дает возможность сократить расход пара на испарение влаги при упаривании дрожжевой суспензии. Для предотвращения образования осадков необходимо обеспечить интенсивную циркуляцию упариваемой суспензии в выпарных аппаратах, а также в других аппаратах и коммуникациях. При упаривании вязких растворов эффективны выпарные аппараты с принудительной циркуляцией жидкости.
Широко распространена конструкция аппаратов с выносной греющей камерой, так как обладает рядом преимуществ перед выпарными аппаратами со встроенными в корпус трубчатыми подогревателями. Аппараты с выносными подогревателями и принудительной циркуляцией обеспечивают лучшие условия и большие скорости циркуляции упариваемой жидкости, а следовательно, более высокий коэффициент теплопередачи и возможность свободного доступа к трубчатому подогревателю для чистки или ремонта. Принцип работы выпарных аппаратов с естественной циркуляцией, обусловленный только разностью удельных весов жидкости в испарителе и подогревателе, имеет большое применение при упаривании невязких жидкостей. Таким образом, для данной технологической схемы выбираем выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и с выносной греющей камерой [2].
2.6 Виды сушилок, применяемых для высушивания дрожжей
Далее дрожжевой концентрат направляется в сушилку для высушивания дрожжей до остаточной влажности менее 10 %. Для получения сухих дрожжей, пригодных к длительному хранению и перевозкам, применяются различные способы сушки. На заводах малой производительности, работающих преимущественно на спиртовой барде, используются вальцовые сушилки с испарительной способностью от 2 до 6 т влаги в час. Дрожжи, высушенные на вальцовых сушилках, имеют вид тонких, хрупких, полупрозрачных листочков желтого или коричневого цвета. В таком виде они имеют небольшую объемную массу, что затрудняет их упаковку.
В данной технологической схеме будем использовать распылительную сушилку, которая получила наибольшее распространение. Процесс сушки основан на тонком распылении дрожжевого концентрата в камере, заполненной горячим воздухом. Мелкие капли дрожжевого концентрата в этих условиях быстро высыхают и в виде светло-желтого порошка падают на дно сушилки. Производительность распылительных сушилок по испаряемой влаге равна 4-25 т/ч. Для стабильной и безопасной работы распылительных сушилок необходима правильная организация процесса сушки, обеспечивающая высыхание капель жидкости до достижения стенок сушилки.
Высушенные дрожжи из конической части сушилки пневмотранспортом подаются в циклоны, где происходит двухступенчатая очистка отработанного воздуха, затем в бункер дрожжей и далее на упаковочно-взвешивающую машину производительностью 2т/ч [3].
Таким образом, процесс производства белковых кормовых дрожжей будем поводить по следующей схеме: стадия ферментации осуществляется в дрожжерастильном аппарате с эрлифтной системой воздухораспределения; флотация проводится в одноступенчатом пятисекционном флотаторе с производительностью 100 м3/ч; дальнейшее концентрирование дрожжевой суспензии проводится на двух ступенях сепараторов СОС-501К-3; плазмолиз осуществляется в теплообменнике труба в трубе; далее дрожжевая суспензия поступает на выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и с выносной греющей камерой; высушивание дрожжевой суспензии до 10%-ой влажности осуществляется в распылительной сушилке СРЦ-12,5/1100 НК производительностью 6000 кг/ч.
3 Описание технологической схемы
Подготовленное к биохимической переработке сусло подается в дрожжерастильный аппарат 1. Для разбавления сусла до концентрации редуцирующих веществ, равной 2,2%, подается последрожжевая бражка. В этот же аппарат поступает аммиачная вода для поддержания оптимального pH и засевные или подсевные дрожжи для поддержания в среде определенной культуры дрожжей, а также необходимой концентрации их. Процесс выращивания дрожжей происходит в дрожжерастильном аппарате 1 с эрлифтной многозонной системой воздухораспределения. Непрерывный процесс дает возможность поддерживать постоянные условия культивирования и отбора биомассы. Производительность аппарата 46,4 т в сутки товарных дрожжей. Дрожжерастильный аппарат представляет собой вертикальный стальной цилиндр. Внутри аппарата установлено четыре диффузора, которые создают четыре циркулирующих потока. Через коллектор сжатый воздух подается в вертикальные трубы каждого диффузора. Внизу эти трубы оканчиваются конусом и кюветой. Удельный расход воздуха на 1 кг товарных дрожжей составляет 32 кг. В кювету по трубе меньшего диаметра подается разбавленное сусло, Сусло, переливаясь через край кюветы, смешивается с мелкодисперсным воздухом, выходящим через щели под кюветой. Образовавшаяся пена поднимается вверх по диффузору и , разрушаясь, стекает вниз. Таким образом достигается многократная циркуляция жидкости в аппарате. Выращивание дрожжей происходит при интенсивной подаче воздуха, в пенной среде, способствующей их быстрому размножению и росту. При работе дрожжерастильного аппарата температура жидкости в нем поддерживается в пределах 34-37С0. При выращивании дрожжей выделяется значительное количество тепла, составляющее от 12250 до 15680 Дж на 1 кг абс. сухих дрожжей, и температура среды может подняться выше допустимой. Отводят тепло путем подачи воды в змеевик двухстенного диффузора и орошения водой наружной поверхности аппарата [3].
Полученная дрожжевая cуспензия с концентрацией 35 г/л прессованных дрожжей непрерывно самотеком отводится из нижней части дрожерастильного аппарата в одноступенчатый флотатор 2. В последнем методом флотации осуществляется выделение дрожжей из бражки и их сгущение до концентрации 120 г/л. Частично сгущенная дрожжевая суспензия через газоотделитель 4 центробежным насосом 5 откачивается в сборник 6. Последрожжевая бражка передается из флотатора насосом 5 в сборник 3, откуда частично направляется на разбавление сусла, а остальная часть − для сгущения на первую группу сепараторов 8. Из сборника 6 дрожжевая суспензия насосом 5 подается на первую ступень сепараторов 8, где сгущается до содержания дрожжей 400 г/л. Последрожжевую бражку из этой группы сепараторов направляют в сборник 7.
Для получения кормовых дрожжей высокого качества в схему включается их промывка. Сгущенная дрожжевая суспензия после первой ступени сепараторов засасывается водоструйным насосом, смешивается в нем с водой, промывается и подается на сепараторы второй ступени 9. Отработанная промывная вода со второй ступени сепараторов для снижения потерь дрожжей возвращается в сборник 6. Там она смешивается с дрожжевой суспензией, а потом смесь подается на первую ступень сепарирования. Сгущенную дрожжевую суспензию с концентрацией дрожжей 580 г/л после второй ступени сепарирования собирают в сборнике 10. Перед поступлением на выпарку дрожжевая суспензия подвергается плазмолизу для снижения пенообразования в испарителях выпарных аппаратов, а также для исключения образования сгустков дрожжей, отрицательно влияющих на процесс упаривания. При плазмолизе дрожжи теряют как свободную, так и связанную воду и становятся текучими. Сгущенная дрожжевая суспензия подается насосом 5 в плазмолизатор-подогреватель 11, в который поступает пар низкого давления, и под его влиянием происходит плазмолиз дрожжей при температуре 120 С0. Плазмолизированные дрожжи подаются через напорный бак 12 на упаривание в двухкорпусную вакуум-выпарную установку. На выпарной установке производится сгущение дрожжевой суспензии до содержания сухих веществ 20-22%. В качестве греющего пара на выпарную установку подается свежий пар или с целью экономии используется вторичный. Частично упаренная дрожжевая суспензия передается в выпарной аппарат 13. Вторичный пар, образующийся при упаривании дрожжевой суспензии поступает в подогреватель второго корпуса выпарной установки. Упаренный дрожжевой концентрат из выпарной установки откачивается насосом 5 в сборник 16. Вторичный пар из второго корпуса через ловушку поступает в барометрический конденсатор 15, конденсируется водой и через барометрический ящик 14 сбрасывается в канализацию. Вакуум в системе создается выкуум-насосом.
Из сборника 16 дрожжевой концентрат насосом 5 подается в сушильную установку, состоящую из дисковой распылительной сушилки 17, циклонов 18, вентилятора 19 и другого вспомогательного оборудования [3].
Основная масса дрожжей, высушенных до содержания 8-10% влаги, пневмотранспортом подается через циклон в бункер. Отработанный воздух для улавливания уносимых дрожжей из распылительной сушилки 17 подается в циклоны 18, а затем выбрасывается в атмосферу. Осевшие в циклонах дрожжи подаются в общий поток товарных дрожжей.
Сухие дрожжи из бункера поступают в упаковочную машину. Упакованные в бумажные мешки товарные дрожжи направляются по 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 сутки 16000:345=46,4 т/сут,
где 16000 − годовая выработка дрожжей в т.
Количество сусла, поступающего на переработку
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% от общей выработки дрожжей
46,4·0,1=4,6 т/сут.
Общее количество жидкости, поступающей в дрожжерастильный чан
5303+5,1+4,6=5312,7 т/сут.
Количество получаемых абсолютно сухих дрожжей
46,4·0,9:0,95=44 т/сут,
где 0,9 − коэффициент, учитывающий влажность дрожжей;
0,95 − коэффициент, учитывающий потери дрожжей при выделении.
Количество дрожжевой суспензии, поступающей на флотацию
44:0,25=176 т/сут,
где 0,25 − коэффициент, учитывающий влажность 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, поступающей на первую группу сепараторов: 174,2:0,12=1451,7 т/сут,
где 0,12 − концентрация дрожжей в суспензии 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 первой группы сепараторов:
174,2:0,4=435,5 т/сут,
где 0,4 − концентрация дрожжевой суспензии после первой группы сепараторов, т/м3.
Количество отработанной бражки после первой группы сепараторов [7]
1451,7-435,5=1016,2 т/сут.
Количество воды для промывки дрожжей после первой группы сепараторов:
435,5·1=435,5 т/сут,
где 1 − кратность промывки.
Количество дрожжевой суспензии, поступающей на вторую группу сепараторов: 435,5+435,5=871 т/сут.
Количество дрожжевой суспензии после второй группы сепараторов:
174,2:0,58=300,3,
где 0,58 − концентрация дрожжей после второй 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 на вакуум-выпарную установку: 174,2+3,52=170,68.
Количество дрожжевой суспензии, поступающей на вакуум-выпарную установку: 170,68:0,58=294,3 т/сут.
Количество отработанной бражки после второй группы сепараторов
871-294,3=576,7 т/сут.
Количество воды, выпариваемой в двух корпусах вакуум-выпарной установки
294,3 (1-14,5:25)=123,61,
где 14,5 − концентрация абсолютно сухих дрожжей в суспензии до упаривания,
25 − концентрация абсолютно сухих дрожжей в суспензии после упаривания.
Принимаем следующее распределение нагрузки вакуум-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 втором корпусе:
W2=123,61-59,3=64,31 т/сут.
Расчет концентрации дрожжевой суспензии по корпусам 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 с концентрацией 25% сухих веществ, поступающей на сушку,
294,3-123,61=170,69 т/сут.
Количество влаги, испаряемой в сушилке при высушивании дрожжей до 10% влажности
170,69·(75-10)/(100-10)=123,28 т/сут.
Количество дрожжей после сушки без учета потерь:
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 производства представлен в таблице 1.
Таблица 1 − Материальный баланс дрожжевого производства
| Приход | 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 двухкорпусах вакуум-выпарки Последрожжевая бражка: а) после флотатора б) после сепараторов 1-ойступени 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 технологического оборудования
Количество ферментаторов определим по формуле [8]:
, (1)
где Qсут − производительность завода по товарным дрожжам, кг/ч;
Q − фактическая производительность ферментатора по товарным дрожжам, кг/ч.
n=.
Принимаем к установке 4 ферментатора, из них 1 − резервный.
Рассчитаем необходимое количество сборников после ферментатора:
, (2)
где G − поток дрожжевой суспензии, м3/ч,
τ − время пребывания суспензии в сборнике, ч,
k − коэффициент заполнения аппарата (k=0,8),
V − объем типового сборника, м3.
.
Принимаем 4 сборника после ферментатора, из них 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 после флотатора рассчитаем по формуле (2):
.
Принимаем к установке 4 сборника после флотатора, из них 1 − резервный.
Количество сепараторов рассчитаем по формуле[9]:
,
где 52,598 − поток дрожжевой суспензии, поступающей на первую группу сепаратора, м3/ч,
35 − производительность по исходной суспензии, м3/ч.
Принимаем к установке 3 сепаратора первой ступени.
Количество сепараторов второй ступени рассчитаем по формуле:
,
где 31,56 − поток дрожжевой суспензии, поступающей на вторую группу сепараторов, м3/ч,
35 − производительность по исходной суспензии, м3/ч.
Принимаем к установке 2 сепаратора второй ступени.
Рассчитаем количество сборников после сепаратора по формуле (2):
.
Принимаем к установке 2 сборника после первой группы сепараторов и 2 сборника после второй группы сепараторов, из них 1 − резервный.
В качестве плазмолизатора принимаем теплообменник труба в трубе. Поверхность теплообмена рассчитаем по формуле[9]:
, (3)
где Q − количество тепла, поступающего на плазмолиз, Дж,
k − коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·0С),
ΔT − разность температур, 0С.
м2.
Принимаем 1 теплообменник с поверхностью нагрева 21 м2. После теплообменника устанавливаем 2 напорных бочка.
Рассчитаем количество испаряемой влаги в вакуум-выпарной установке:
, (4)
где G − количество дрожжевой суспензии, поступающей на выпаривание, т/ч,
а1,а2 − начальная и конечная концентрации дрожжей,%.
т/сут.
В выпарных установках технологический греющий пар расходуется на нагревание исходной КЖ до температуры кипения (Qнагр), на испарение воды в первом корпусе (Qисп) и на потери тепла в окружающую 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 КЖ в выпарном аппарате,0С,
tнач − начальная температура КЖ, 0С.
Qнагр=12260·1,43(80-70)=175318 Дж.
Qисп=w·r, (6)
где w − количество воды, испаряемой в первом корпусе, кг/ч,
r − удельная теплота парообразования при среднем давлении в выпарном аппарате, Дж/кг.
Qисп=5150·2,312=11906,8 Дж.
Qпот=0,04·( Qнагр+ Qисп), (7)
Qпот=0,04·(175318+11906,8)=7488,99 Дж.
Qгр.п.= Qнагр+ Qисп+ Qпот, (8)
Qгр.п=175318+11906,8+7488,99=194714 Дж.
Расход технологического греющего пара определяем по уравнению:
Gгр.п.=Qгр.п./(rгр.п.·x), (9)
где rгр.п. − удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг,
x − степень сухости греющего пара (принимают x=0,9-1,0).
Gгр.п=194714/(0,95·2,636)=77754,97 кг/ч.
Количество вакуум-выпарных установок рассчитаем по формуле [10]:
,
где 12,26 − количество дрожжевой суспензии, поступающей на выпаривание, т/ч.
15 − производительность по испаряемой влаге, т/ч.
Принимаем к установке 1 вакуум-выпарную установку.
Рассчитаем количество сборников после вакуум-выпарной установки по формуле (2):
.
Принимаем к установке 2 сборника, из них 1 − резервный.
Рассчитаем количество сушилок [10]:
,
где 123,28 − количество влаги, испаряемой в сушилке, т/сут,
144 − производительность сушилки, т/сут.
Для улавливания частиц, уносимых газом, после сушилки устанавливаем 2 конических циклона НИИОГаз.
Таблица 5.1 − Сводная ведомость технологического оборудования:
| Наименование | Количество | Характеристика |
| 1 Ферментатор | 4 | Объем − 1300 м3; Диаметр − 11000 мм; Высота − 14500 мм; Расход воздуха − 16000 м3/ч; Производительность по товарным дрожжам −18 т/сут |
| 2 Сборник после ферментатора | 4 | Объем − 300 м3. |
| 3 Флотатор | 3 | Объем − 100 м3; Диаметр − 5000 мм; Высота − 6000мм; Производительность по исходной суспензии − 160 м3. |
| 4 Сборник после флотатора | 4 | Объем − 160 м3. |
| 5 Сепаратор первой ступени | 3 | Производительность по исходной суспензии − 20-35 м3; Потребляемая мощность − 30 кВт; Длина − 1730 мм; Ширина − 900 мм; Высота − 1680 мм; Диаметр барабана − 516 мм. |
| 6 Сборник после сепаратора первой ступени | 2 | Объем − 10 м3. |
| 7 Сепаратор второй ступени | 2 | Производительность по исходной суспензии − 20-35 м3; Потребляемая мощность − 30 кВт; Длина − 1730 мм; Ширина − 900 мм; Высота − 1680 мм; Диаметр барабана − 516 мм. |
| 8 Сборник после сепаратора второй ступени | 2 | Объем − 10 м3. |
| 9 Плазмолизатор (теплообменник труба в трубе) | 1 | Поверхность теплообмена − 21 м2; Длина труб − 9 м; Число труб в аппарате − 14 штук; Число параллельных потоков − 7; Диаметр теплообменных труб − 48×4 мм. |
| 10 Вакуум-выпарная установка | 1 | Поверхность теплообмена − 500 м2; Диаметр − 1900 мм; Высота − 19000 мм; Производительность по испаряемой влаге − 15т/ч. |
| 11 Сборник после вакуум-выпарной установки | 2 | Объем − 6 м3. |
| 12 Распылительная сушилка | 1 | Производительность − 6000 кг/ч; Диаметр − 13035 мм; Высота − 21900 мм. |
| 13 Циклон | 2 | ЦН-24 |
Заключение
В данной курсовой работе был произведен подбор технологической схемы дрожжевого цеха по производству белковых кормовых дрожжей, ее описание.
Был рассчитан материальный баланс и осуществлен подбор и расчет основного технологического оборудования.
В результате проведенных вычислений при производительности дрожжевого цеха 16 тыс. т белковых кормовых дрожжей в год получим 46,46 т/сут дрожжей 10%-ой влажности.
Подобрано 4 ферментатора с эрлифтной системой воздухораспределения и принято к установке 4 сборника. Также принято к установке 3 флотатора и 4 сборника после него. Устанавливаем 3 сепаратора и по два сборника после каждой ступени сепарации. Принимаем к установке 1 вакуум-выпарную установку с принудительной циркуляцией и выносной греющей камерой, количество необходимых сборников равно 2. В качестве плазмолизатора выбираем теплообменник труба в трубе с поверхностью нагрева 21 м2. Для высушивания дрожжей до 10% приняли распылительную сушилку СРЦ-12,5/1100 НК производительностью 6000 кг/ч.
Таким образом, выбранная схема обеспечивает выпуск заданного количества и качества продукции.
Список использованных источников
1 Холькин, Ю.И. Технология гидролизных производств / Ю.А. Холькин. − Москва “Лесная промышленность”, 1989.
2 Производство кормовых дрожжей / А.А.Андреев, Л.И.Брызгалов − Москва. Издательство “Лесная промышленность”, 1970.
3 Технология гидролизных производств / В.И. Шарков, С.А.Сапотницкий, О.А.Дмитриева, И.Ф.Туманов − Москва. Издательство “Лесная промышленность”, 1973.
4 Системы ферментации У.Э. Виестур, А.М. Кузнецова, В.В. Савенков − Рига: Зинатне, 1986.
5 Результаты внедрения флотационного способа выделения дрожжей Н.А .Назаров, А.Н. Бажаева − “Гидролизная и лесохимическая промышленность”, 1958.
6 Бессточная технология в гидролизно-дрожжевом производстве Ю.И. Холькин, В.Л. Макаров, В.А. Елкин. − М.: ОНТИТЭИмикробиопром, 1983.
7 Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию для студентов спец. 0903 (специализация “Технология гидролизных производств”) сост. Е.Ф. Морозов, Н.С. Ручай, Т.Ц. Цедрик.− Минск, 1982.
8 Машины и аппараты микробиологических производств И.И. Бортников, А.М. Босенко. − Мн.: Высшая школа, 1982.
9 Технологическое оборудование гидролизного производства К.Д. Мартыненко, В.А. Ефимов. − Москва, Издательство “Лесная промышленность”, 1973.
10 Методические указания к курсовому и дипломному проектам (Расчет оборудования микробиологических производств) для студентов спец. 0903, 1015. − Минск, 1988.