CC BY
75
УДК 66.063
Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАССОПЕРЕДАЧИ КИСЛОРОДА
В ПРОЦЕССЕ ВЫРАЩИВАНИЯ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ НА ОБОГАЩЕННОЙ БАРДЕ
Ключевые слова: массопередача кислорода, энергетическая эффективность, коэффициент массопередачи, дрожжи, обогащенная барда.
Исследована зависимость коэффициента массопередачи кислорода и энергетической эффективности транспорта кислорода при выращивании кормовых дрожжей Rhodosporidium diobovatum ВКПМ Y-3158 на фильтрованной барде, обогащенной редуцирующими веществами. Оценены параметры процесса роста дрожжей в периодическом и доливном режимах при варьировании интенсивности перемешивания и аэрации.
Key words: oxygen mass transfer, energy efficiency, mass transfer coefficient, yeast, enriched stillage.
The research work describes the dependence of oxygen mass transfer factor and energy efficiency of oxygen transport on the intensity of stirring and aeration for the process of growing fodder yeast Rhodosporidium diobovatum RCIM Y-3158 on the filtered stillage, enriched with reducing substances.
Введение
Переработка спиртовой барды является энергозатратным процессом вследствие низкой энергетической эффективности процесса сушки [1, 2]. С целью снижения затрат энергии в расчете на единицу кормового белка, барда подвергается переработке с использованием различных штаммов кормовых дрожжей. В последнее время все чаще используются штаммы, вырабатывающие витамины и другие ценные компоненты кормов. Однако, при таком подходе невозможно кардинально улучшить показатели процесса, поскольку в барде содержится не более 8 - 10 % сухих веществ, из которых только часть может являться субстратом для питания дрожжей. Ранее был предложен метод обогащения барды сахарами за счет добавки зернового сусла [3 -5]. Однако, количественных оценок энергоэффективности такого процесса получено не было. Настоящая работа посвящена экспериментальной оценке энергетических затрат на транспорт кислорода в процессе роста кормовых дрожжей на обогащенной барде.
Экспериментальная установка
В установке использован биореактор разборной конструкции, позволяющий устанавливать различные типы мешалок с цанговыми зажимами. Геометрический объем аппарата составлял 6 л. Коэффициент заполнения биореактора - 0,5. Внутренний диаметр аппарата - 150 мм.
В процессе использована двухъярусная дисковая мешалка с перфорированными отогнутыми сегментами [6]. Диаметр мешалки 100 мм. Угол наклона рабочих поверхностей к горизонтальной плоскости составляет 35°. Площадь отогнутых секторов составляет 53,8 см2. Отверстия перфорации конические, с наименьшим диаметром 3 мм и углом конусности 90 градусов. Расстояние от нижнего яруса мешалки до днища баореактора составляет половину диаметра мешалки, а между ярусами равно диаметру мешалки.
В реакторе установлены 4 отражательные перегородки, имеющие суммарную поверхность
25% от площади вертикального сечения рабочего объема аппарата [7].
Термостабилизация культуральной жидкости обеспечивалась подачей воды заданной температуры в рубашку аппарата из ультратермостата mlw U8.
Подача стерильных жидких компонентов и титрующего агента в биореактор осуществлялась перистальтическими насосами из емкостей, установленных на электронных весах типа МК-6.2-А21, погрешность измерения массы составляет ± 6 г. В качестве пеногасителя применялся пропинол Б400.
Подача воздуха на аэрацию осуществлялась компрессором УК40-2М через ротаметр РС3 и стерилизующий фильтр. Отработанный газ поступал на барабанный газовый счетчик Р7000 . Часть газового потока отводилась в ячейку с установленным датчиком концентрации кислорода Oxygen sensor КЕ-25 и затем возвращалась в линию сброса газа. При этом избыточное давление в ячейке изменялось в ходе всего процесса незначительно (от 4 до 8 см водяного столба по U-образному манометру).
В режиме on-line замерялась кислотность культуральной жидкости, ее температура и концентрация растворенного кислорода с использованием анализатора Мультитест ИПЛ-513.
В отбираемых пробах определялось содержание РВ [8] и биомассы (по оптической плотности) с использованием фотоэлектроколориметра КФК-3-«30М3».
Обработка информации велась в среде табличного процессора Excel®.
Питательная среда
С целью корректного измерения оптической плотности культуральной жидкости в экспериментах для приготовления сред использованы фильтраты спиртовой барды и зернового сусла, полученные с Мамадышского спиртзавода. Фильтрация барды и сусла осуществлялась через полотняную ткань. Наличия визуально определяемых взвесей не допускалось. Состав питательных сред приведен в табл. 1.
Таблица 1 - Состав питательных сред
Компоненты среды Содержание, г/л
Минеральная среда Ридера - среда для качалочных колб
Глюкоза 20
(т,)2804 3
]^04 *7Н2О 0,7
№01 0,5
КН2Р04 1,0
К2НРО4 0,1
Са(Ы0з)2 0,4
Дрожжевой автолизат 10
Исходная питательная среда («подушка»)
Минеральный состав аналогичен
Фильтрат сусла 20%РВ 200
Фильтрат спиртовой барды остальное
Подпиточная среда
Минеральный состав аналогичен
Фильтрат сусла 500
Фильтрат спиртовой барды остальное
Результаты и их обсуждение
Режимные параметры процесса культивирования дрожжей в биореакторе приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Параметры процесса культивирования дрожжей
1 VI п VG р02 02 Vn
0 3,26 298 0,67 6,72 20,88
4 3,22 400 0,66 3,45 19,66
6 3,22 500 0,59 1,49 17,53
7 3,22 800 0,67 2,81 16,63
8 3,17 1200 0,66 0,61 12,87
9 3,17 1500 0,99 3,28 15,67
10 3,11 1500 0,99 4,16 16,65
11 3,11 1500 0,97 4,38 16,93
12 3,11 1500 0,91 4,76 17,27
13 3,28 1500 0,91 4,58 16,91 0,23
14 3,28 1500 0,96 4,33 16,34
15 3,22 1500 0,94 5,08 17,48
16 3,21 1200 0,96 5,75 18,69 0,24
17 3,21 1000 0,97 2,29 16,24
18 3,15 1000 0,98 5,29 18,70
19 3,15 500 1,02 2,95 19,12
20 3,15 500 1,00 3,76 19,35
21 3,08 450 1,02 2,60 19,49
22 3,08 450 1,03 2,41 19,43
23 3,01 450 1,33 2,86 19,61
24 3,18 1500 1,39 4,03 16,66 0,46
25 3,18 1500 1,32 6,48 19,07
26 3,12 1200 1,29 6,19 19,31
27 3,12 1200 1,32 5,31 18,41 0,68
27,5 3,12 1200 1,35 2,80 16,26
28 3,12 1200 1,36 2,68 15,89
29 3,12 1000 1,71 1,90 16,96 1,24
30 3,33 1200 1,61 1,60 16,28
31 3,33 1800 1,60 5,09 17,63
32 3,33 1800 1,62 6,43 19,12
33 3,27 800 1,63 4,28 19,33
34 3,21 800 1,63 4,36 19,42
В таблице 3 приняты следующие обозначения: 1 -время процесса, час; VI. - объем культуральной
жидкости, изменяемый при отборе проб и операциях долива среды, л; п - скорость вращения мешалки, об/мин; VG - удельный расход воздуха, подаваемого на аэрацию, л/л-мин; р02 - концентрация растворенного кислорода, мг/л; 02 - концентрация кислорода в отработанном газовом потоке, % об.; Vn -подпитка, л.
Процесс проводили при ручном переключении скорости вращения мешалки и расхода воздуха с целью поддержания не лимитирующего уровня концентрации кислорода в культуральной жидкости.
Кроме указанных в таблице параметров замерялись температуры культуральной жидкости и газовых потоков, расход газа на выходе из биореактора, мощность, рассеиваемая мешалкой.
Скорость потребления кислорода рассчитывалась по газовому балансу [9]. Объемный коэффициент массопередачи кислорода рассчитывался как частное от деления скорости потребления кислорода на движущую силу процесса массопередачи. Последняя определялась исходя из усредненного значения равновесной концентрации кислорода в жидкой фазе, равной 6,8 мг/л и текущих замеров р02.
Результаты эксперимента представлены на рисунках 1 - 3. На рисунках представлены зависимости, полученные для различных средних величин аэрации, приведенных к нормальным условиям: от 0,684 до 1,167 нл/л-мин.
О)
^ Скорость вращения мешалки,
об/мин
00,684 □ 0,93 Д 1,167
Рис. 1 - Зависимости энергоэффективности процесса массопереноса кислорода от скорости вращения мешалки при варьировании аэрации
о° 0 500 1000 1500 2000 о 5
о | Скорость вращения мешалки, ° об/мин
00,684 □ 0,93 Д 1,167
Рис. 2 - Зависимости скорости потребления кислорода от скорости вращения мешалки при варьировании аэрации
Стрелкой на рисунке 3 показано направление возрастания величины аэрации.
Удельная мощность, вт/л
0 0,684 □ 0,93 Д 1,167
Рис. 3 - Зависимость объемного коэффициента массопередачи кислорода от мощности мешалки при варьировании аэрации
Разброс расчетных значений величины КЬа связан с изменением потребности популяции дрожжей в кислороде при смене соотношения концентраций субстрата и кислорода в культуральной жидкости, а также при изменении интенсивности пено-образования. Поэтому вместо трендов частных зависимостей на рисунке 3 приведены лишь огибающие кривые, показывающие диапазон изменения КЬа.
Динамика изменения оптической плотности культуральной жидкости и концентрации в ней редуцирующих веществ типична для периодического процесса (рис. 4).
0 5 10 15 20
Время, час
О Оптическая плотность КЖ
—□—Концентрация РВ, % масс.
Рис. 4 - Рост биомассы и потребление субстрата в процессе культивирования дрожжей
ЯЬо^зропШит ШоЬоуаШш ВКПМ У-3158
Выводы
Для дисковой многоярусной мешалки оптимальная скорость вращения, обеспечивающая достаточно высокую энергетическую эффектив-
ность процесса массопередачи кислорода (более 0,5 г О2/вт-ч) не может превышать 1000 об/мин. При этом интенсивность аэрации не должна быть менее 1,2 л/л-мин. Нужно отметить явно выраженную зависимость энергоэффективности от величины удельной аэрации.
При отсутствии лимитирования роста дрожжей концентрациями компонентов культу-ральной жидкости, периодический процесс роста завершается в течение 6 - 7 часов. При этом достигается удельная скорость роста 0,4 час-1.
В дальнейшем рост резко замедлился, несмотря на осуществляемую неоднократную подпитку средой. Очевидно, что минеральный или витаминный состав среды оказался недостаточным по отношению к количеству вносимого субстрата, что требует проведения отдельной работы по его оптимизации. Это тем более актуально, что многоярусные дисковые перемешивающие устройства могут обеспечить транспорт кислорода с необходимой скоростью при существенно больших концентрациях биомассы и, следовательно, при более высоких продуктивностях биореактора.
Литература
1. А. Л. Андросов, И.А. Елизаров, А.А. Третьяков, Вестник Тамбовского государственного технического университета, 16, 4, 954-963, (2010).
2. В.Б. Новиков, С.В. Зверев, Производство спирта и ли-кероводочных изделий,2, 20 - 23, (2007).
3. С.Г. Мухачев, В.Н. Мельников, Современныересурсо- и энергосберегающие технологии в спиртовой и ликеро-водочной промышленности (Казань). Татспиртпром. Казань, 2000. С. 47-48.
4. С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Н.К. Филиппова, Р.Т. Валеева, Вестник Казанского технологического университета, 1 - 2, 147-155 (2004).
5. С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Производство спирта и ликероводочных изделий, 1, 8 - 9, (2007).
6. Пат. РФ 2021849, (1994).
7. Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 11, 172-174 (2012).
8. И.З. Емельянова, Химико-технологический контроль гидролизных производств, Лесная промышленность, Москва, 1976, 405 с.
9. Ш. Г. Еникеев, З. М. Билялова, Ю. Л. Рындовская и др., Получение микробной биомассы на основе этилового спирта. Методические указания.- КХТИ, Казань, 1983, 32с.
© Р. Б. Хабибрахманов - аспирант, ст. преп. каф. химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент той же кафедры.
© R. B. Khabibrakhmanov - graduate student, teacher department of chemical cybernetics, KNRTU, [email protected]; S. G. Mukhachev - candidate of technical sciences, associate professor department of chemical cybernetics; R. T. Valeeva - candidate of technical sciences, associate professor department of chemical cybernetics.
