Проектування підприємств для отримання очищених і технічних ферментних препаратів з поверхневих культур

V – об’єм води, що подають на екстракцію, на одиницю маси вихідної вологої культури, м³/кг.

Стверджуючи, що всі розчинні сполуки знаходяться  в розчині, який змочує культуру, можна  записати:

                        V_н = (

+ β) ,                                         (8)

                      V_б = (

+ β_б) .                                         (9)

Коефіцієнт  α розраховується за залежністю:

                                          α =

,                                                    (10)

де V_в – об’єм готової витяжки на одиницю маси вихідної вологої культури, м³/кг;

      V_в =

.        (11)

Невраховані втрати пов’язані з витоком розчину  через нещільності (сальники, прокладки  і т.д.), з можливим розкладом розчинних речовин під дією тих чи інших факторів протягом процесу екстракції і т.п. Величина П_ну приймається рівною тим неврахованим втратам, які мають місце при експлуатації подібних розрахованому апаратів для тієї ж культури в рівних умовах. [6]

Отримані рівняння (3, 4 і 7) визначають процес екстракції суми розчинних речовин, в яку входять і білкові речовини – носії ферментативної активності. Саме вилучення цих речовин і є метою екстракції.

Результати  багатьох робіт говорять про наявність тісного лінійного кореляційного зв’язку між вилученням загальної суми розчинних речовин і речовин – носіїв ферментативної активності.

Іншими словами, рівняння матеріального балансу (7) і кінетичні рівняння (3 і 4) можна  використовувати для розрахунку процесу екстракції ферментів, але замість концентрацій слід підставляти ферментативну активність на одиницю об’єму відповідного розчину.

Показник експоненти k’ в рівняннях (3 і 4) для ферментативної активності буде відрізнятися від показника експоненти k в тих же рівняннях для зміни концентрації загальної суми розчинних речовин, при чому k’<k.

Таким чином  при розрахунку процесу вилучення  ферментів до раніше перерахованих  параметрів необхідно додати:

А_н – ферментативна активність на одиницю об’єму розчину, що змочує вихідну культуру, од. А/м³;

А_б – ферментативна активність на одиницю об’єму розчину, що змочує біошрот, од. А/м³;

k’ – показник експоненти, отриманий методом найменших квадратів при обробці експериментальних даних по вилученню ферментів експоненціальною залежністю.

З врахуванням  вище сказаного рівняння (3, 4 і 7) для  опису процесу вилучення ферментів  можна записати наступним чином:

                           А = А_н

,                                         (12)

                          А_е = А_ек

,                                        (13)

          А_нV_н = αV_нА_ек + А_кV_б + П_ну                              (14)

Зазвичай, більш  ефективним вважають процес, при якому  отримують менші втрати при зберіганні на досить високому рівні активності витяжки.

Від величини початкової активності А_н в розчині, що змочує початкову культуру, залежать результати процесу. При інших рівних умовах збільшення А_н дозволяє отримати більш активну витяжку А_ек, але одночасно збільшується абсолютна величина втрат А_к у відповідності з залежністю (12), хоча відносна величина втрат залишиться на попередньому рівні.

Якщо поставити задачу – зберегти абсолютну величину втрат  на попередньому рівні, то у відповідності  з (14) потрібно збільшити подачу на дифузію, наслідком чого буде зменшення концентрації витяжки. [7]

Початкова концентрація А_н залежить від частки розчинних речовин по відношенню до загального вмісту сухих речовин в культурі (β) і від початкової вологості ω. Чим менша вологість, тим більше концентровану витяжку можна отримати в результаті процесу.

Оптимальною вологістю потрібно вважати таку, при якій всі розчинні речовини початкової культури перейшли в розчин, створивши концентрацію, близьку до насиченого стану.

Якщо вихідна вологість  культури буде меншою оптимальної, то буде потрібно додатковий час на розчинення речовин, що містяться в початковій культурі.

Деяке збільшення ефективності процесу може бути досягнуто за рахунок  зменшення виходу біошроту, який характеризується коефіцієнтом δ.

Зменшення виходу біошроту шляхом пресування з одночасним зменшенням вологості вихідної культури до оптимальної  слід визнати ефективним технологічним  прийомом.

Відпресований розчин слід повернути в дифузійний апарат, безперервно  змішуючи його з водою, яка поступає на дифузію, або ввести його в переріз апарату, в якому С_е (див. рис. 1) буде відповідати концентрації відпресованої рідини. [8]

Невраховані втрати ферментативної активності будуть різними для різних культур і повинні бути прийняті на рівні, зафіксованому при знятті матеріального балансу для однотипної установки і схожій культурі при тих же (по можливості) технологічних параметрах процесу (особливо температурі).

Зменшити втрати можна  також наступними прийомами: 1) збільшивши тривалість процесу τ_КОН; 2) підвищивши температуру t; 3) збільшивши ступінь дисперсності вихідної культури.

Однак всі ці засоби, як і  збільшення подачі води в апарат, мають  обмеження чисто технологічного порядку:

1. збільшення тривалості процесу небезпечно, так як зростає можливість інфікування системи і інактивації активних речовин;
2. підвищення температури понад критичної, різної для кожної культури, викликає швидку термічну інактивацію активної речовини;
3. збільшення ступеню дисперсності створює умови для виносу маленьких частинок екстрагованою рідиною, забивання ними сит і зупиненню руху екстрагованої рідини.

Очевидно знаходження  оптимального співвідношення цих параметрів є необхідною частиною встановлення технологічного режиму для кожного  виду культури і для кожної конструкції  апарату.

На жаль, при розрахунку процесу екстракції і проектуванні екстракційних апаратів стикаєшся з відсутністю будь – яких відомостей по цілому ряду параметрів, що характеризують процес екстракції з даної культури на даному типі апарату при тих чи інших умовах (ω_опт, β, β₁, δ, k’, П_ну). Ця обставина потребує солідної науково – дослідної роботи по визначенню даних параметрів при складанні технологічного завдання на проектування.

В розглянутих  нижче прикладах розрахунку прийняті вихідні дані не можуть вважатися еталонами для подібних розрахунків. [1]

 

Розділ 2. Продуктовий розрахунок технологічного процесу

Приклад 1. Визначити С_н, якщо відомо ω = 40% і β = 0,3.

Рішення 1. Масу розчинних речовин, віднесену до одиниці маси вихідної культури, можна розрахувати за залежностям:

                          М_нр.в. = V_нС_н;                                        (15)

                          М_нр.в. =

β.                                         (16)

Враховуючи  формулу (8), можна записати:

             С_н =

= β.                                     (17)

Тоді:

               С_н =

= .                         (18)

В нашому прикладі, прийнявши ρ_рн = ρ_Н2О, можна знайти наближене значення :

= = 310 кг/м³.

2. Уточнимо значення  початкової концентрації, підставивши  у вихідне рівняння (18) ρ_рн замість ρ_Н2О.

За отриманим  значенням  знаходимо густину розчину цієї концентрації.

На жаль, таблиць, які виражають залежність густини дифузійної витяжки від її концентрації [С] = [кг/м³], не існує. Можна з деякою долею приближення використати таблиці для цукрових розчинів. При С = 310 кг/м³ = 31 г/100 мл за таблицею маємо ρ = 1116 кг/м³. Тоді:

                         С_н =

.                                                 (19)

С_н =

=344 кг/м³.

Якщо проводити  подальше уточнення, то результат змінюється незначно:

ρ = 1129 кг/м³ при С = 344 кг/м³ = 34,4 г/100 мл.

Уточнення дає  = 1129 : 1116 = 348 кг/м³.

Подібне уточнення  можна не проводити, обмежившись  результатом С_н (в нашому прикладі С_н = 344 кг/м³).

Приклад 2. Визначити С_к при умовах прикладу 1 і заданій величині показника експоненти k = 3·10^-4 1/с при τ_КОН = 2 ч.

Рішення. За залежністю (5) знаходимо рішення. Прологарифмуємо її:

             ln С_к = ln С_н – kτ_КОН.                                      (20)

Для нашого прикладу:

ln С_к = ln 344 - 3·10^-4·7200 = 5,83 – 2,23 = 3,6;

С_к = 36,6 кг/м³.

Приклад 3. Використовуючи умови прикладів 1 і 2, 1) визначити С_ек, якщо відомо β = 0,3; β_б = 0,02; ω = 40%; δ = 0,5; ω_б = 60% (після пресування); V = 0,002 м³/кг; П_ну = 10% вихідної активності; 2) розрахувати повноту виділення розчинних речовин (в %).

Рішення 1. За рівняннями (10) і (11) знайдемо α.

   α =

.                  (21)

Прийнявши густину  витяжки рівною густині розчину, що змочує вихідну культуру, розрахуємо приблизне значення α:

α =

.

Розрахуємо V_б за формулою (9) і V_н за формулою (8):

V_б =

.

Прийнявши за таблицею ρ_б = 1012 кг/м³, маємо:

V_б = (0,6 + 0,4·0,02)

10^-3 м³/кг;

V_н =

.

За таблицею ρ_рн = 1129 кг/м³ при С_н = 344 кг/м³.

V_н = (0,4 + 0,6·0,3)

м³/кг.

Визначимо приблизне  значення С_ек, прийнявши П_ну = 0,1 С_нV_н. Тоді за формулою (7):

С_ек =

= = =      =73,8 кг/м³.

2. Повнота вилучення  ε рівна процентному відношенню кількості розчинних речовин, отриманих з витяжкою, до загальної кількості їх, введеної в процес:

            ε =

.                                   (22)

Для нашого прикладу:

ε =

%.

Приклад 4. Як зміниться повнота вилучення ε і концентрація витяжки С_ек, якщо замість τ_КОН = 2 год., прийнятого в попередньому прикладі, процес слід закінчити через τ_КОН = 1,5 год.?  Показник експоненти k = 3,4 · 10^-4 1/с.

Рішення 1. За залежністю (13) маємо:

lnC_к = lnC_н - k

=5,83-1,83 = 4,00;

С_к = 54,8 кг/м³.

2. За залежністю (7), прийнявши П_ну = 0,1 С_нV_н і вирахувані в попередньому прикладі величини V_н і V_б, маємо:

(С_н – С_ек)V_н = С_кV_б + П_ну

або

100 – ε =

·100;

                         ε = 100 -

.                                     (23)

Тоді:

ε = 100 –

= 100 – = 100 – 19,4 = 80,6%.

3. Із залежності (22) маємо: 

С_ек =

кг/м³.

Приклад 5. Як зміниться продуктивність апарату, якщо замість ε = 80,6% (попередній приклад) необхідно забезпечити ε^’ = 85%? Цей результат може бути досягнутий лише за рахунок збільшення тривалості процесу . Прийняти k^’ = 3,0 · 10^-4 1/с при τ_КОН = 2 год., k^’ = 2,7·10^-4 1/с при                   τ_КОН = 2,5 год.

Рішення. 1. З формули (23) знаходимо величину С_к:

               С_к =

,                                    (24)

С_к =

= 88,0 – 58,8 = 29,2 кг/м³.

2. За формулою (13) знаходимо :

          

= 5,83 – 3,37 = 2,46.           (25)

Методом послідовних  наближень знаходимо  = ~ 2 год. 32 хв.

3. Продуктивність  апарату обернено пропорційна  тривалості процесу. Відношення  продуктивності при  до продуктивності при рівне і = : = 2,53 : 1,5 = 1,69, тобто продуктивність знизиться більш ніж в півтора рази.

Приклад 6. При заданій продуктивності М_вих = 5000 кг/добу визначити об’єм апарату, якщо процес характеризується параметрами попередньої задачі і якщо відоме навантаження апарату q = 200 кг/м³ за вихідною культурою.

Рішення 1. В попередньому прикладі був визначений час = 2,53 год.