Проект цеха по производству заквасок для изготовления кисломолочных напитков с пробиотическими свойствами

Поверхность теплообмена рассчитывается по формуле:(4.24)где – тепловая нагрузка, Вт; – ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/(мК); – движущая сила теплопередачи, оС.Тепловая нагрузка рассчитывается по формуле:(4.25)где – расход воды, кг/с; – теплоемкость воды, ,-конечная и начальная температуры воды на выходе и на входе в нагреватель, оС.Примем, что температура воды на входе в нагреватель, равна 25 оС, а на выходе – 40 оС, а расход воды равен 15 кг/с.Определим движущую силу процесса теплопередачи, для этого необходимо определить температуры пара и конденсата. Принимаем, что темпераута пара на входе в конденсатор, равна 104 оС, а на выходе температура конденсата равна – 80 оС.104 оС 80 оС40 оС 25 оСоС;оС.Значит движущую силу процесса рассчитываем по формуле:(4.26)Ориентировочный коэффициент теплопередачи принимаем для теплообмена вида от конденсирующегося водяного пара к воде, равным 1200 Вт/(мК).Поверхность теплообменаИсходя из ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 выбираем теплообменник с поверхностью теплообмена, равной 197 , площадью сечения одного хода по трубам, равным 0,025 м2, диаметром кожуха D=800 мм, числом ходов 4, диаметром труб длиной труб, равной 6 метров.4.8 Головной фильтрПредназначается для грубой очистки воздуха от мелких частиц пыли и микроорганизмов. Задержка около 98 % частиц в головных фильтрах увеличивает эффективность и срок службы индивидуальных фильтров тонкой очистки воздуха.В качестве фильтрующего материала используется базальтовое волокно.Базальтовое волокно обладает следующими характеристиками:диаметр пор – 1 мм;масса 1 м3 – 0,56 кг;термостойкость – 600 ℃;гидравлическое сопротивление – 100 Па;эффективность по масляному туману – 99,92 %.Производительность головного фильтра по воздуху 380 м3/мин.4.9 Воздушный индивидуальный фильтрПредназначен для стерилизации воздуха со степенью очистки от микроорганизмов и их спор 99,9999999 %. В качестве фильтрующего материала используется фторопласт.Показатели фторопласта:площадь фильтрации – 0,025 м2;производительность листа – 50 м3/с;скорость фильтрации – 1 м/с;пылеемкость – 22 г/м3;срок службы – 10 – 11 мес.;масса 1 м2 – 4,37 кг;эффективность улавливания по масляному туману – 99,999%.4.10 Циркуляционный насосРасход жидкости, перекачиваемой циркуляционным насосом:(4.34)где F – общая площадь проходного сечения микрофильтрационного модуля, м2; vлин – линейная скорость движения суспензии в фильтрующих элементах, м/с.Примем линейную скорость движения суспензии, равной vлин=1,5 м/с.(4.35)где r – радиус трубчатого фильтрующего элемента, мм, (r = 0,015 мм); n – число трубчатых фильтрующих элементов, (n = 33 шт).Выбираем циркуляционный насос CALPEDA NM 100/200 EE со следующими характеристиками: степень защиты: IP 54; класс изоляции: F; мощность 18,5 кВт; рабочий диапазон: от 108 до 240 м3/ч с напором до 30 м; температура жидкости: от -10°С до +90°С; максимальное рабочее давление: 10 бар (1000 кПа).Рабочий диапазон расхода жидкости довольно высок, как напор, поэтому такой тип насоса применяем для всей технологической схеме (в количестве 11 штук).5 Обоснование выбора основного аппарата, описание его устройства, принципа действия и режима работы5.1 Обоснование выбора основного аппаратаИсходя из выбора и обоснования технологической схемы, одним из основных аппаратов для производства закваски является ферментатор.В общем случаеконструкция ферментатора должна обеспечить выполнение следующихфункций и требований[6]:– исключить проникновение посторонних микроорганизмовв аппарат;– обеспечить возможность введения субстрата и воздуха, а также выведения газообразных продуктов метаболизма с отработаннымвоздухом;– осуществить интенсивное диспергирование газовой фазы в жидкой;– обеспечить удаление выделяющегося в процессе ферментации тепла.В асептических производствах наибольшее распространение получили ферментаторы барботажного типа с механическим перемешиванием ферментационной среды.В связи с необходимостью строгого соблюдения требований асептики ферментацию осуществляют в периодическом режиме со стерилизацией ферментатора и коммуникаций после каждой операции по выращиванию микроорганизмов. Выбор объема аппарата определяется нетолько мощностью производства по целевому метаболиту, но и достигнутым уровнем асептики производства. Нестерильная операция в ферментаторе большой емкости приводит к потере значительного количества питательной среды, часто содержащей дорогостоящие компоненты.На отечественных предприятиях используют ферментаторы объемом до 100 м3, за рубежом – до 300 м3.В данном курсовом проекте выбран ферментатор барботажного типа с механическим перемешиванием объемом 100 м3, в котором обеспечивается проведение процесса культивирования микроорганизмов в асептических условиях.5.2 Описание устройства ферментатораФерментатор представляет собой герметичную цилиндрическуюемкость из нержавеющей стали со сферическими крышкой и днищем[6](рисунок 5).1 – кольцевой барботер; 2 – змеевиковый теплообменник; 3 – секция водяной рубашки; 4 – лестница; 5 – люк; 6 – электропривод; 7 – отбойник; 8 – турбинная мешалка; 9 – соединительная муфта; 10 – крепление вала; 11 – пережимная трубаРис. 5 – Ферментатор емкостью 100 м3Аппарат оборудован перемешивающим устройством в виде одно-, двух- или трехъярусной мешалки (чаще турбинного типа), барботером для подачи воздуха и коммуникациями для ввода питательной среды, посевного материала, пеногасителя, нейтрализующегоагента и вывода отработанного воздуха.В процессе ферментациивыделяется большое количество тепла в результате жизнедеятельности микроорганизмов (биологическое тепло) и за счет работы мешалки. Охлаждение среды до оптимальной температуры производится с помощью наружной секционированной водяной рубашкиферментатора и внутренних змеевиковых теплообменников. Принеобходимости охлаждающие устройства используются в качествегреющих при стерилизации ферментатора и питательной среды. Современные ферментаторы укомплектованы регулирующими устройствами и контрольно-измерительными приборами (автоматическоерегулирование температуры, рН ферментационной среды, расходавоздуха, уровня пены, а также контроль давления, уровня жидкости,температуры и рН среды).5.3 Принцип действия и режим работы ферментатораФерментатор работает при давлении до 0,3 МПа и температуре20–130°СПеред каждой загрузкой ферментатора питательной средой производят его подготовку к работе, которая включает ряд последовательных операций[4].После слива культуральной жидкости ферментатор промываютводой с помощью специальной моечной машинки, прогревают острымпаром до температуры 100°С и охлаждают до 30–40°С. Используялюк-лаз, производят внутренний технический осмотр аппарата: проверяют состояние соединительных муфт вала, мешалок, барботера,датчиков КИП и устраняют обнаруженные дефекты. Затем ферментатор герметизируют и создают воздушное давление в аппарате 0,15–0,20 МПа. Аппарат считают герметичным, если в течение 45–60 миндавление падает не более чем на 0,005 МПа. При наличии утечкис помощью мыльного раствора проверяют на герметичность всефланцевые соединения, сварные швы и сальниковые уплотнения запорной арматуры. Если аппарат и прилегающие коммуникации герметичны, производят их стерилизацию. Ферментатор нагревают путемподачи острого пара через все входные и выходные коммуникации до100–104°С при открытом выходе на линии отработанного воздуха, затем закрывают вентиль на выходе воздуха и продолжают нагрев дотемпературы 130–135°С, при которой выдерживают в течение 1–2 ч.Одновременно с ферментатором стерилизуют фильтр тонкой очисткивоздуха и пеногаситель в бачке. По окончании стерилизации в ферментатор подают стерильныйвоздух, а в охлаждающие системы – холодную воду. Через УНСв ферментатор загружают стерильную питательную среду. В аппаратепостоянно поддерживают давление воздуха 20–30 кПа, чтобы исключить проникновение инфекции в ферментатор с наружным воздухом.С этой же целью все незадействованные в процессе ферментациикоммуникации защищают паровыми затворами.Коэффициент заполнения питательной средой геометрическогообъема ферментатора составляет 0,6–0,7. Свободное пространство используется для компенсации повышения уровня среды за счет увеличения газосодержания при аэрации и для регулирования уровня пены.Высокая пенообразующая способность питательных сред обусловливается наличием растворенных белков, пектиновых веществ, коллоидно-растворенных соединений. В процессах ферментации наличие пены, с одной стороны, способствует интенсификации массообменаи увеличивает концентрацию кислорода в среде. С другой стороны,интенсивное пенообразование уменьшает полезный объем ферментатора. На практике уровень пены в аппарате постепенно возрастает от0 до максимально допустимой величины, при достижении которой автоматически включается система пеногашения. 6Подробный расчет основного аппаратаПри расчете определяют основные конструктивные и энергетические показатели ферментатора с заданным общим объемом.Вначале необходимо установить объемную массу ρ, динамическую вязкость μ, коэффициент теплопроводности λ, рабочее давление в ферментаторе при стерилизации его паром, теплоемкость c. Принимаем:– объемная масса питательной среды = 1050 кг/м3– динамическая вязкость μ = 0,001 Пас;– теплоемкость с = 2493 Дж/кгК;– коэффициент теплопроводности λ = 0,6 Вт/мК.Для стерилизации питательной среды внутри ферментатора необходимо создать рабочее давление не менее 0,2 МПа. Коэффициент заполнения ферментатора питательной средой k = 0,6.6.1 Конструктивный расчет ферментатораРабочий объем аппарата рассчитывается по формуле(6.1)где – общий объем ферментатора; – коэффициент использования объема аппарата (=0,6-0,7).Далее необходимо принять размер внутреннего диаметра ферментатора Принимаем 3600 мм, общая высота ферментатора Hобщ=15715 мм, высота цилиндрической части мм.Высота эллиптической части (6.2)Принимаем толщину стенки днища S = 6 мм.Высота отбортовки(6.3)Полный объем ферментатора вычисляют по формуле(6.4)где – объем цилиндрической части, м3; – объем днища ферментатора, м3. Объем цилиндрической части(6.5)Высота цилиндрической части ферментаторагде F – площадь сечения ферментатора по внутреннему диаметру.(6.6)(6.7)Выразим из формулы 5.6 диаметр цилиндрической части ферментатора:(6.8)6.2 Расчет механической части ферментатораПри выращивании микроорганизмов на жидких питательных средах глубинным способом вследствие образования биомассы повышается вязкость культуральной жидкости, в результате чего ухудшается перемешивание и аэрирование среды. С целью интенсификации перемешивания суспензии рекомендуется применять турбинные мешалки. Диаметр турбинной мешалки рассчитывается по формуле[9]:. (6.1)где Dвн – внутренний диаметр ферментатора.dм=0,33600=1080 мм.По полученной величине dм(мм) по каталогам выбираем мешалку с эффективной системой перемешивания. В зависимости от вязкости среды определяем оптимальную окружную скорость мешалки.Частота вращения мешалки[9]:Мощность, потребляемая мешалкой, определяется по формуле[9]:(6.3)где = 5,5 – критерий мощности, зависящий от интенсивности перемешивания и характеризующийся центробежным критерием Рейнольдса (Reц);ρ – плотность среды, кг/м3;n1 – частота вращения мешалки, с-1, n1=1,8c-1;dм – диаметр мешалки, м.Критерий мощности определяют по графику в зависимости от значения критерия Reц и конструкции мешалки:(6.4)где μ – коэффициент динамической вязкости среды, Па∙с, μ=1,43∙10-2(по табл. 17 приложения [9] при 30 °С).В зависимости от числа Рейнольдса определяем по рисунку VII в [7], (6.5)Расчетная мощность на валу мешалки :где – коэффициент заполнения аппарата растущей культурой; – коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности из-за повышения сопротивления растущей культуры в процессе ее роста(); – коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности на преодоление сопротивления, вызываемого вспомогательными устройствами, выбирается в зависимости от типа мешалки().где – высота слоя перемешиваемой жидкости; для турбинных мешалок:где L – высота аппарата, м.Мощность электропривода[9]: (6.9) где – коэффициентзапаса, учитывающий особенности пускового периода (Kn = 1,25); – мощность, теряемая в уплотнениях вала, Вт (;η – коэффициент полезного действия привода.Определение диаметра приводного вала мешалки производят по приближенной формуле, исходя из прочности его на кручение[9]: (6.10)где – крутящий момент на валу мешалки, Н·м; - допускаемое напряжение материала вала на кручение, Н/м2. (6.11)где – запас прочности.Вал обычно изготавливают из стали Ст. 45. Предел прочности для Ст. 45 на растяжение , запас прочности Допустимое напряжение на растяжение определяем по формуле: (6.12)Допустимое напряжение на кручение определяем по формуле: (6.13)Допустимое напряжение для валов перемешивающих устройств определяем по формуле: (6.14)ЗаключениеВыполнен проект цеха по производству лиофизилированной закваски. Выбрана и обоснована технологическая схема для осуществления данного процесса, подобран и рассчитан ферментатор.Выполнены материальные расчеты технологического процесса, приняты объемно-планировочные решения по размещению оборудования на плане и разрезе здания.Список использованных источников1. Бредихин С.А. Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. – М.: Колос, 2001. – 420 с.2. Галат Б.Ф. Справочник по технологии молока / Б.Ф. Галат, Н.И. Машкин, Л.Г. Козага. – 2-е изд., перераб. и доп. – К.: Урожай, 1990. – 192 с.3. Курочкин А.А. Технологическое оборудование для переработки продуктов животноводства / А.А. Курочкин, В.В. Лященко; Под ред. В.М. Баутина. – М.: Колос, 2001. – 440 с.4. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. – 9е изд. перераб. и доп. – Л.: Химия, 1981. – 560 с.5. Пат. 2142331 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Устройство для гомогенизации и гомогенизирующая головка / В.Е. Карачевский, И.В. Карачевский, В.В. Карачевский.6. Пат. 2170504 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Гомогенизирующая головка / А.А. Шевцов, В.В. Горяйнов, О.Н. Федорова; Воронежская государственная технологическая академия.7. Пат. 2138158 РФ, МПК 7 А 01 J 11/16. Устройство для гомогенизации жидкостей / В.Я. Грановский.8. Принципы синтеза технологических схем: учебное пособие по выполнению технологической системы в дипломных и курсовых проектах / К.Ф. Красильникова, Э.И. Уютова, Ю.В. Попов, В.А. Навроцкий; ВолгГТУ. – Волгоград: РПК «Политехник», 2001. – 107 с.9. Степанова Л.И. Справочник технолога молочного производства. В 3 т. Т.1. Цельномолочные продукты/ Л.И. Степанова. – СПб.: ГИОРД, 2000. – 384 с.10. Сурков В.Д. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности / В.Д. Сурков, И.Н. Липатов, Н.В. Барановский. – 2е изд., перераб. и доп. – М.: Пищевая промышленность, 1970. – 552 с.Нормативные ссылки11. СТ РК 1101-2002 Продукты кисломолочные. Ряженка, варенец. Общие технические условия.12. ГОСТ 37-91 Масло коровье. Технические условия.13. ГОСТ 4495-87 Молоко цельное сухое. Технические условия.14. ГОСТ 10382-85 Консервы молочные. Продукты кисломолочные сухие. Технические условия.15. ГОСТ 10970-87 Молоко сухое обезжиренное. Технические условия.16. ГОСТ 17626-81 Казеин технический. Технические условия.17. ГОСТ 23651-79 Продукция молочная консервированная. Упаковка и маркировка.18. ГОСТ Р 51917-2002* Продукты молочные и молокосодержащие. Термины и определения.19. ГОСТ Р 52090-2003* Молоко питьевое. Технические условия.