способ создания и регулирования газовой среды в камерах хранения сельскохозяйственной продукции

Формула изобретения

1. Способ создания и регулирования газовой среды в камерах хранения сельскохозяйственной продукции, включающий процессы каталитического окисления органических веществ, отвод избытка углекислого газа из газовой смеси, циркулирующей по замкнутому контуру камера генератор камера и ее стерилизацию, отличающийся тем, что окисление органических веществ осуществляют в процессе ферментации микроорганизмов на питательной среде, содержащей органический субстрат, при этом газовую смесь дополнительно стерилизуют на входе и выходе из генератора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в ферментационных процессах используют или бактерии, или несовершенные грибы, или водоросли.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что стерилизацию газового потока на входе в генератор выполняют фильтрацией.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистка газового потока на выходе из генератора включает процесс конденсации.

5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что стерилизацию газового потока на выходе из генератора выполняют фильтрацией с предварительной конденсацией влаги из газовой смеси на примесях газового потока и стенках теплообменника с последующим накоплением и отводом конденсата и примесей.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что питательная среда дополнительно содержит минеральные вещества.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минеральных веществ используют или цеолит, или аэросил.

8. Способ по п.1 или 6, отличающийся тем, что в качестве источника углеводов в питательной среде используют хранимую сельскохозяйственную продукцию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству и пищевой промышленности и может быть использовано для создания и регулирования газовой среды в камерах хранения, например, плодоовощной продукции, находящейся в стадии покоя.

Известен способ регулирования состава газовой среды в хранилищах сельскохозяйственной продукции, включающий сжигание или каталитическое окисление при температуре 600-1200^оС энергетического топлива с последующей адсорбционной очисткой газовой среды от избытка углекислого газа.

Недостатком этого способа является то, что расход продуктов сгорания на подогрев больше требуемого количества газовой среды для компенсации потерь хранилища. Это ведет к подаче в хранилище излишнего количества продуктов сгорания и снижению скорости регулирования концентрации углекислого газа, представляет собой источник пожаровзрывоопасности.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ создания газовых сред генераторами рециркуляционного типа, включающий процессы каталитического окисления органических веществ, отвод избытка углекислого газа из газовой смеси, циркулирующей по замкнутому контуру "камера-генератор-камера" (Тяжкороб А.Ф. Бондарев В.И. Генераторы газовых сред для хранения плодоовощной продукции. Киев: Наукова думка, 1988, с. 156).

Недостатком данного способа является непреднамеренная возможность создания взрывоопасной газовой смеси в генераторе в процессе обогащения газовой среды газовым топливом, которая в случае неполного окисления может наполнять камеру хранения, контроль экологической чистоты в этом случае представляет некоторые трудности, в особенности в части определения окиси азота, образованного при сгорании, требует относительно больших затрат энергии (1,25 кг условного топлива на 1 т сохраненной продукции).

Была поставлена задача повысить экологическую чистоту процессов, снизить энергозатраты, снизить пожаровзрывоопасность и расширить область применения за счет использования продуктов метаболизма при выращивании микроорганизмов на углеводородных (углеводных) субстратах (питательных средах).

Поставленная задача решена тем, что в способе создания и регулирования газовой среды в камерах хранения сельскохозяйственной продукции, включающем процессы каталитического окисления органических веществ, отвод избытка углекислого газа по газовой смеси, циркулирующей по замкнутому контуру "камера-генератор-камера", и ее стерилизацию, согласно изобретению окисление органических веществ осуществляется в процессе ферментации микроорганизмов на питательной среде, содержащей органический субстрат, при этом газовую смесь дополнительно стерилизуют на входе и выходе из генератора.

В предпочтительном варианте способа в ферментационных процессах используют или бактерии, или несовершенные грибы, или водоросли.

Стерилизацию газового потока на входе в генератор выполняют фильтрацией. Очистка газового потока на выходе из генератора включает процесс конденсации.

Стерилизацию газового потока на выходе из генератора выполняют фильтрацией с предварительной конденсацией влаги из газовой смеси на примесях газового потока и стенках теплообменника с последующим накоплением и отводом конденсата и примесей.

Питательная среда дополнительно содержит минеральные вещества. В качестве минеральных веществ используют или цеолит, или аэросил. В качестве источника углеводов в питательной среде используют хранимую сельскохозяйственную продукцию.

На чертеже представлена схема данного способа.

Газовая смесь из камеры (камер) 1 компрессором 8 через запорно-регулирующую арматуру 3 по трубопроводу 2 через стерилизатор 4 и холодный контур теплообменника 6, где она нагревается, подается в ферментатор 9. На схеме показаны для ферментатора 9 и 10 один глубинного типа (9), другой твердофазного типа (10). Комбинация их в одной схеме необязательна и показана на схеме как возможные варианты.

Микробиологическая культура в ферментаторах в процессе ферментации поглощает и выделяет углекислый газ и воду при повышении температуры газовой смеси.

В начальный момент формирования газовой среды в камере (камерах) 1 концентрация углекислого газа в них ниже требуемой, и поэтому газовая смесь после ферментатора 9 или 10 через запорно-регулирующую арматуру 3 по трубопроводу 11 поступает в теплый контур теплообменника 6 и через стерилизатор 4 по трубопроводу 5 поступает в камеру (камеры) 1.

При насыщении среды в камере (камерах) 1 углекислым газом до заданной концентрации газовая смесь после ферментатора 9 или 10 через запорно-регулирующую арматуру 3 по трубопроводу 12 поступает в скруббирующую установку 13 или 14, где очищается от избытка углекислого газа путем сорбции химическим или физическим сорбентом в скруббере 13. В скруббере 14 газовая среда очищается от избытка углекислого газа в результате деятельности водорослей или анаэробных бактерий, которые в процессе жизнедеятельности утилизируют углекислый газ и выделяют кислород.

Комбинация скруббирующих установок в одной схеме необязательна, и она показана как возможные варианты.

После очистки газовой смеси от избытка углекислого газа в скруббере 13 или 14 она по трубопроводу 15 подается в теплый контур теплообменника 6, где газовая смесь охлаждается и через стерилизатор 4 по трубопроводу 5 поступает в камеру (камеры) 1. В теплообменнике 6 на присутствующих в газовой смеси механических (минеральные и органические) включениях, а также на стенках змеевика теплообменника конденсируется излишняя влага. С выпадающим конденсатом в теплообменнике 6 скапливается до 99% примесей, выпавших из газового потока при его охлаждении, которые отводятся через уравнительный гидрозатвор 7.

В качестве питательных сред используют органические вещества зерно и отходы сельского хозяйства, минеральные и искусственные вещества с добавкой органических веществ; а также углеводную продукцию, идентичную хранимой при низких температурах; при ферментации зерна могут быть получены корма для животных, в других случаях можно получать полупродукты для дальнейшей переработки, например, на ферменты и т.п.

В качестве микроорганизмов могут быть применены бактерии, несовершенные (низшие) грибы, водоросли. Микроорганизмы обладают высокой активностью. Например, водоросли синтезируют белок в 100000 раз быстрее, чем животное, но бактерии и низшие грибы растут еще быстрее. Бактерии удваивают свою массу за время от 20 мин до 2 ч (Реннеберг Р, Реннеберг И.Р. От пекарни до биофабрики, 1991, с. 71). Этим темпам роста соответствуют потребности в кислороде, причем температура субстратов с растущим грибом может повышаться до 43-45^оС (Грачева И. М. Технология ферментных препаратов. М. Агропромиздат, 1987, с. 67).

Выполненные эксперименты подтверждают, что после ликвидации путей притока воздуха несовершенные грибы к 32-му часу роста поглощают кислород из окружающего воздуха полностью.

Выделение тепла сопровождает ферментацию микроорганизмов. Для грибной культуры это количество тепла может достигать 100-120 Вт/кг. АСВ абсолютно сухие вещества таким образом являются источником теплоты для покрытия нужд подогрева воздуха, подаваемого из холодильной камеры хранения к грибам или бактериям при их ферментации (Колосков С.П. Оборудование предприятий ферментной промышленности, М. 1969, с. 63-69).

Что касается водорослей, то они могут не только выделять кислородом и поглощать углекислый газ, но осуществлять и обратные процессы, поэтому могут служить в качестве регулирующего исполнительного органа в системах автоматизации процессов регулирования газовых сред в процессе хранения плодов, овощей и иной продукции "Биотехнология", N 3, 1993, с. 23-24).

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с известным позволяет сделать вывод о том, что предложенное решение удовлетворяет критерию изобретения "Новизна".

Из патентной и научно-технической литературы для специалиста не известен способ, при котором окисление органических веществ проводят в процессе ферментации микроорганизмов путем клеточного ферментативного катализа питательной среды, при этом газовую смесь дополнительно стерилизуют на входе и выходе из генератора, что обеспечивает достижение поставленной задачи.

Таким образом, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "Изобретательский уровень".

Способ осуществляется следующим образом.

После загрузки камеры хранения с последующим охлаждением продукции до температуры (-1) (-4)^оС, предназначенной для хранения, камеру герметизируют и соединяют системой циркуляции внутреннего воздуха через генератор газовых сред.

Одновременно заполняют жидкостью гидрозатворы исполнительных устройств для уравнивания атмосферного давления с давлением внутренней среды камеры хранения.

К этому моменту приводят в действие генератор газовых сред, для чего производят загрузку стерильных питательных сред (органических веществ, в том числе зерна, минеральных и искусственных цеолиты, аэросил), инокулируя их микроорганизмами.

После начала ферментации, приводящей к окислению органических веществ, чистый объем ферментатора через стерилизующие фильтр и теплый контур теплообменника подключают к объему камеры хранения. При этом воздух из камеры хранения, подогретый в теплообменнике до 16-30^оС, циркуляционным вентилятором поступает к питательной среде с содержащимися на ней микроорганизмами. В процессе усвоения микроорганизмами, например, углеводов они потребляют кислород и выделяют углекислый газ, воду и пропорциональное количество тепла. Количество азота при этом остается неизменным, он не окисляется. Потоком воздуха (жидкости) генерируемое биологическое тепло отводится к поверхностям с меньшей температурой, например, в теплообменнике, где тепло отдается подходящему со стороны камеры холодному воздуху, повышая его температуру до необходимой для обеспечения активной ферментации. При этом в теплообменнике на стороне с более высокой температурой из воздушной смеси, идущей от генератора, выпадает влага в виде конденсата, вместе с ней в теплообменнике остается до 99% механических и органических примесей, которые сбрасываются через систему отвода.

Рециркуляцию воздуха через газогенератор в камеру хранения продолжают до тех пор, пока газовоздушная смесь не приобретает по результатам контроля излишнее количество углекислого газа, например 6%

С этого момента в систему рециркуляции включают химический или биотехнологический поглотитель СО₂.

Неизбежные при этом притоки кислорода в систему компенсируют активизацией поглощения его растущей культурой микроорганизма и повышенным отводом углекислого газа.

После достижения (по pезультатам измерений) заданного уровня содержания кислорода в среде хранения переходят к исполнению режима поддержания состава газовой среды в заданных пределах от нормы.

Поскольку основное отклонение состава среды заключается в выработке хранимой продукцией дополнительного количества углекислого газа, корректировка среды выполняется скруббирующей частью установки поглощением излишней углекислоты.

Защита хранимой продукции от культивирования на ней микроорганизмов состоит в основном из хранения при температурах значительно более низких, чем ферментация микроорганизмов.

Применение в предложенном способе окисления органических веществ, проводимого в процессе ферментации микроорганизмов путем клеточного ферментативного катализа питательной среды, повышает экологическую чистоту процессов, пожаровзрывобезопасность и снижает энергозатраты.

Кроме того, при ферментации любой культуры (бактерий, несовершенных грибов, водорослей) получаемый продукт обогащается белками, ферментами и другими ценными продуктами биосинтеза в зависимости от технологии, штамма и желательного вида получаемой продукции. Поэтому продукты биосинтеза после ферментации могут служить сырьем для последующих технологических переделов, в результате которых могут быть получены корма для животных, лекарственные препараты, средства защиты растений, что расширяет область применения предлагаемого способа.