Вакуумная лабораторная установка для выращивания хлебопекарных дрожжей Российский патент 2024 года по МПК C12M1/04 C12M1/08 

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к лабораторным установкам для выращивания хлебопекарных дрожжей. Цель изобретения - обеспечение моделирования технологических процессов выращивания дрожжей, приближенных к реальным условиям работы под вакуумом промышленных дрожжерастильных аппаратов, оснащенных центральным циркуляционным цилиндром.

Все существующие лабораторные установки, как правило, маленьких объемов и не могут моделировать реальную обстановку культивирования, происходящую при выращивании дрожжей в промышленных масштабах, где основное значение имеет поверхностное соотношение контакта фаз газ-жидкость и массообменные характеристики дрожжерастильного аппарата.

Лабораторные установки для культивирования хлебопекарных дрожжей, работают в условиях повышенного давления, искусственно создаваемого над поверхностью культуральной жидкости. Правильность такого мнения основано на законе Генри, в формуле которого количество растворенного газа в жидкости зависит от давления, создаваемого над поверхностью жидкости. Но, этот закон не работает в условиях барботажного режима. В условиях аэрации жидкости растворимость кислорода воздуха зависит от высоты аэрируемого слоя и поверхности контакта фаз газ-жидкость. А это значит, что растворимость кислорода воздуха не будет меняться при отрицательных значениях давления воздуха над поверхностью жидкости, т.е. при вакууме.

Чтобы доказать такое положение, требуется предлагаемая лабораторная установка, моделирующая реальные технологические процессы, происходящие в промышленных дрожжерастильных аппаратах, оснащенных центральным циркуляционным цилиндром, гарантирующим организацию восходящих и нисходящих потоков культуральной жидкости во всем объеме аппарата. Высота аэрируемого слоя в таких аппаратах составляет три метра и более.

Предложенная конструкция вакуумной лабораторной установки высотой четыре метра максимально приближает обстановку технологического процесса выращивания дрожжей к реальным заводским условиям, не смотря на небольшие объемы и скромные габариты.

В качестве прототипа выбрана конструкция [1], в основе которой заложен принцип организации потоков, удлиняющих путь воздушных пузырьков, являющихся побудителем циркуляции культуральной жидкости во всем объеме дрожжерастильного аппарата.

В этом варианте осуществления изобретения два отсека, которые предпочтительно имеют цилиндрическую форму, расположены рядом друг с другом и соединены трубами на их верхнем и нижнем концах, таким образом завершая контур рециркуляции. Циркуляция ферментационной среды поддерживается за счет перепада давления в нижней соединительной трубе, вызванный дифференциальной аэрацией в двух отсеках. Поток идет в направлении снижения давления от нижнего конца стояка к нижнему концу стояка. Таким образом, ферментационная среда течет вверх по прямоток стояка с воздухом, который барботируется в стояк предпочтительно в одном или нескольких местах в дополнение по меньшей мере к одному месту у основания стояка. Вертикальный стояк соответствующим образом разделен по вертикали на несколько секций, предпочтительно на две, площадь поперечного сечения каждой секции больше площади поперечного сечения секции непосредственно над ней. В случае двух секций большая часть массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую происходит в нижней секции.

Больший диаметр нижней секции увеличивает время удержания жидкости и газа в нижней секции, что позволяет максимально растворить кислород в жидкой фазе для поддержания культуры в оптимальных условиях роста. Важно, чтобы эта большая задержка происходила в нижняя секция, так как в этой секции поддерживается более высокое гидростатическое давление, чем в верхних секциях, а повышенное гидростатическое давление увеличивает скорость растворения кислорода в культуре. В точке над нижней секцией диаметр стояка уменьшается за счет введения переходника в стояке или каким-либо другим способом. Верхнюю часть стояка, предпочтительно цилиндрическую, имеет меньший диаметр, чем нижняя секция. В этой секции восходящие скорости как газа, так и ферментационной среды увеличены из-за уменьшенного диаметра и значительно увеличена доля газожидкостной смеси, которая представляет собой газ. Высота верхней секция определяется гидростатическим давлением, необходимым для поддержания необходимой скорости растворения кислорода в нижней секции, и продолжительностью времени, необходимого в основном для десорбции метаболического диоксида углерода, образующегося во время ферментации. Растворение диоксида углерода из культуральной жидкости усиливается, низким гидростатическим давлением, а скорость десорбции максимальна к верхнему концу стояка.

Подобный принцип работы описан еще в одном патенте [2], наиболее близко подходящим к заявленному. Суть работы такой конструкции заключается в том, что аппарат для выращивания дрожжей, снабженный барботажной системой аэрации, имеет вертикальную трубу для возврата культуральной жидкости в нижнюю часть аппарата, что обеспечивается герметичным соединением горизонтальных труб в верхней и нижней части аппарата.

Недостатком этих конструкций является их необычайные энергоемкость и гигантские затраты воздушных ресурсов для насыщения кислородом воздуха, трудность отделения углекислого газа. Побудителем аэрации в этих конструкциях являются нагнетательные установки в виде турбовоздуходувок. Насыщенность конструкции множеством лишних деталей и трубчатых переходов, создает дополнительные трудности в обеспечении стерильности культивирования биомассы дрожжей, что сказывается негативно на продолжительности технологического процесса.

Предлагаемая конструкция вакуумной лабораторной установки устраняет эти недостатки и представлена на Фиг. 1.

Вакуумная лабораторная установка, моделирующая промышленные условия культивирования хлебопекарных дрожжей, работающая в условиях вакуума, состоящая из двух вертикальных труб, соединенных снизу и сверху между собой, одна из которых большего диаметра, с размещенным в ней диспергирующим элементом для аэрации культуральной жидкости и трубы меньшего диаметра обратной циркуляции, образующей замкнутый циркуляционный контур, работающая так, что вертикальная труба большего диаметра с восходящим потоком культуральной жидкости соединена с вертикальной трубой меньшего диаметра с нисходящим потоком в верхней части установки гидроциклоном для отделения углекислого газа вместе с отработанным технологическим воздухом от культуральной жидкости, а в нижней части соединена гидроциклоном для отделения созревших тяжелых дрожжевых клеток. Труба большего диаметра составная, состоящая из нескольких взаимозаменяемых цилиндров одинакового размера, один из которых оснащен диспергирующим элементом и может устанавливаться на нужном уровне, чтобы изменять высоту аэрируемого слоя жидкости и изменять скорость циркуляционного потока. Вертикальная труба меньшего диаметра, с нисходящим потоком культуральной жидкости, отстоит от трубы большего диаметра на расстоянии, не превышающем величины диаметра большей трубы.

Объемы вертикальных труб отличаются друг от друга, например, в восемь раз. Это позволяет создать поток, гарантирующий интенсивную циркуляцию культуральной жидкости во всем объеме вакуумной лабораторной установки. Труба большего диаметра (2), например в 100 мм - составная, состоящая из нескольких взаимозаменяемых цилиндров (2, 3, 4) одинакового размера, например в 500 мм, соединенных на фланцах между собой. Диаметр трубы в 100 мм выбран как минимально возможный для размещения в горизонтальной плоскости диспергирующего элемента, чтобы обеспечить свободный проход восходящего потока культуральной жидкости в одном из цилиндров. Такой цилиндр (4) оснащен диспергирующим элементом 13 для аэрирования культуральной жидкости и трубой для подвода сырья 12. В зависимости от задачи, цилиндр с диспергирующим элементом может устанавливаться на разной высоте, меняя местоположение других цилиндров в вертикальной плоскости. Трубы сверху соединены гидроциклоном (1)для отделения углекислого газа вместе с отработанным технологическим воздухом от культуральной жидкости.

Снизу трубы жестко соединены на фланцах с гидроциклоном для отделения созревших тяжелых дрожжевых клеток. (5). В верхнем гидроциклоне (1) создается вакуум через трубу (8) с помощью вакуум насоса для засасывания атмосферного воздуха, а также для извлечения углекислого газа из культуральной жидкости и смещения градиента растворимости в сторону кислорода воздуха.

Конструкция верхнего и нижнего гидроциклонов может быть любой и не имеет принципиального значения, т.к. сепарирующий эффект от их использования достигается даже при самых минимальных размерах. В нижнем гидроциклоне (5) размещена труба (9) отвода промывной воды и труба (15) отвода биомассы созревших дрожжей, а также расположен нагревательный элемент (16).

Вторая труба (6) меньшего диаметра, например, в сорок мм, может быть изготовлена из прозрачного материала, чтобы наблюдать за обстановкой обратной циркуляции культуральной жидкости в замкнутом контуре. В нижней части лабораторной установки, в нижнем гидроциклоне (5) встроен термометр 10, рН-метр 11 для контроля за проведением технологического процесса.

Цилиндры (2, 3) могут быть изготовлены из оптически прозрачных полых цилиндрических стаканов, чтобы можно было разместить в нем источники освещения или средства съемки, измерения и контроля за технологическим процессом выращивания дрожжей.

Лабораторная установка жестко закрепляется строго вертикально к стенке с небольшим зазором для удобства ее обслуживания. Труба меньшего диаметра отстоит от трубы большего диаметра на расстоянии, не превышающем величины диаметра большей трубы. Это сделано для того, чтобы максимально приблизить условия сравнения циркуляционной обстановки вакуумной лабораторной установки с обстановкой в промышленных условиях, с использованием дрожжерастильного аппарата с центральным циркуляционным цилиндром. Это будет имитацией работы дискретной части циркуляционного цилиндра промышленного дрожжерастильного аппарата при минимальном расходе воздуха.

Вакуумная лабораторная установка работает следующим образом: Перед пуском установки в работу, внутреннюю полость ее промывают моющими растворами и горячей водой путем заполнения через сырьевую трубу, расположенной в цилиндре (4) с диспергирующим элементом. После мойки отработанный раствор и промывную воду сливают через трубу (9).

Через трубу (8) в верхней части аппарата, с помощью вакуум насоса создается разрежение внутри аппарата с 30%-м вакуумом. Через сырьевую трубу секции (4), в течение нескольких секунд, засасывается засевной материал лабораторной стадии выращивания дрожжей, подают питательные ингредиенты и воду на весь рабочий объем установки, осуществляют подачу воздуха в диспергирующий элемент, а уровень вакуума повышают до 50%, что обеспечивает достаточную циркуляцию культуральной жидкости для ведения технологического процесса выращивания дрожжей.

После перекачки в лабораторный аппарат всего объема засевного материала и подачи питания, происходит интенсивный рост дрожжевой биомассы с выделением тепла, которое стабилизируется за счет вакуума и работы нагревательного элемента (16), размещенного в верхней части нижнего гидроциклона. Контроль температуры осуществляют непрерывно, на протяжении всего процесса выращивания. Чтобы обеспечить оптимальную температуру в 33-34 градуса С, в гидроциклоне размещен в протоке нагревательный элемент.

Пузырьки воздуха, выходя из диспергирующего элемента 13, поднимаются по составной трубе большего диаметра, состоящей из нескольких взаимозаменяемых цилиндров одинакового размера, создают восходящий поток культуральной жидкости. Весь объем жидкости, находящейся над диспергирующим элементом поднимается вверх, а весь объем жидкости, расположенный в трубе меньшего диаметра устремляется вниз. Таким образом, происходит организованное и непрерывное движение культуральной жидкости внутри вакуумной лабораторной установки.

Технологический воздух, попадая в диспергирующий элемент 13, обеспечивает оптимальный уровень массообмена внутри установки. Объем культуральной жидкости, находящейся в трубе большего диаметра в шесть - восемь раз превышает объем трубы меньшего диаметра, что обеспечивает необходимую скорость обратного потока культуральной жидкости внутри цилиндра, чтобы обеспечить захват газо-жидкостной смеси для усиления растворимости кислорода воздуха. Взаимозаменяемые цилиндры в 500 мм выбраны с той целью, чтобы подбирать необходимые варианты насыщения культуральной жидкости кислородом воздуха, при проектировании технологических режимов выращивания хлебопекарных дрожжей разных стадий. Уловить разницу в насыщении кислородом воздуха можно только при изменении высоты аэрирующего слоя минимум в 500 мм. Поэтому, меняя местоположение диспергирующего элемента по высоте, располагая цилиндры в разном порядке, появляется возможность получать дрожжи разного качества и назначения, например, маточные дрожжи, за счет изменения скорости роста.

Во время интенсивного роста дрожжей, происходит обильное пенообразование, которое гасится в верхнем гидроциклоне установки путем подачи по патрубку 14 олеиновой кислоты через головку 7 пеногасителя. А в нижнем гидроциклоне происходит отделение созревших тяжелых дрожжевых клеток и отвод их через штуцер (9). Такое техническое решение позволяет интенсифицировать процесс выращивания дрожжей и увеличить количество почкующихся клеток до 80% в культуральной жидкости.

После завершения процесса выращивания дрожжей, снижается уровень вакуума до нуля и открывается линия для отвода биомассы (9). Весь объем выращенных дрожжей направляется на исследование.

Предлагаемая конструкция вакуумной лабораторной установки, как технический результат, создает все условия для моделирования промышленных условий в малом объеме циркуляционного контура, для изучения предельных показателей роста хлебопекарных дрожжей в концентрированных средах с накоплением биомассы 330-350 г/л.

Вакуумная лабораторная установка с взаимозаменяемыми цилиндрами одинакового размера, один из которых оснащен диспергирующим элементом, позволяет также проводить исследования по эффективности диспергирования воздуха в культуральной жидкости и воду, проводить измерения степени насыщения кислородом воздуха, используя для этого соответствующие приборы.

Литература, принятая во внимание:

1. Патент GB1353008_A.

2. Патент. №2021346 C12N 1/02 от 15.10.94.

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к лабораторным установкам для выращивания хлебопекарных дрожжей. Все существующие лабораторные установки, как правило, маленьких объемов и не могут моделировать реальную обстановку культивирования, происходящую при выращивании дрожжей в промышленных масштабах, где основное значение имеет поверхностное соотношение контакта фаз газ-жидкость и массообменные характеристики дрожжерастильного аппарата. Лабораторная установка работает в условиях вакуума, состоит из двух вертикальных труб, одна из которых большего диаметра, с размещенным в ней диспергирующим элементом для аэрации культуральной жидкости и трубы меньшего диаметра обратной циркуляции. Трубы соединены снизу и сверху между собой, образуют замкнутый циркуляционный контур. Вертикальная труба большего диаметра соединена с вертикальной трубой меньшего диаметра с помощью гидроциклона для отделения углекислого газа вместе с отработанным технологическим воздухом от культуральной жидкости. В нижней части трубы соединены гидроциклоном для отделения созревших тяжелых дрожжевых клеток. Труба большего диаметра составная, состоящая из нескольких взаимозаменяемых цилиндров одинакового размера. Один из цилиндров оснащен диспергирующим элементом и может устанавливаться на нужном уровне, чтобы изменять высоту аэрируемого слоя жидкости и изменять скорость циркуляционного потока. Вертикальная труба меньшего диаметра отстоит от трубы большего диаметра на расстоянии, не превышающем величины диаметра большей трубы. 1 ил.

1. Вакуумная лабораторная установка, моделирующая промышленные условия культивирования хлебопекарных дрожжей, работающая в условиях вакуума и состоящая из двух вертикальных труб, соединенных снизу и сверху между собой, одна из которых большего диаметра, с размещенным в ней диспергирующим элементом для аэрации культуральной жидкости, а другая - меньшего диаметра с обратной циркуляцией, образующей замкнутый циркуляционный контур, отличающаяся тем, что вертикальная труба большего диаметра с восходящим потоком культуральной жидкости соединена с вертикальной трубой меньшего диаметра с нисходящим потоком в верхней части установки гидроциклоном для отделения углекислого газа вместе с отработанным технологическим воздухом от культуральной жидкости, а в нижней части трубы соединены гидроциклоном для отделения созревших тяжелых дрожжевых клеток.

2. Вакуумная лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что труба большего диаметра составная, состоящая из нескольких взаимозаменяемых цилиндров одинакового размера, один из которых оснащен диспергирующим элементом и может устанавливаться на нужном уровне, чтобы изменять высоту аэрируемого слоя жидкости и изменять скорость циркуляционного потока.

3. Вакуумная лабораторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальная труба меньшего диаметра, с нисходящим потоком культуральной жидкости, отстоит от трубы большего диаметра на расстоянии, не превышающем величины диаметра большей трубы.