способ управления процессами получения и сушки ферментных препаратов

Формула изобретения

Способ управления процессами получения и сушки ферментных препаратов, характеризующийся тем, что для получения ферментных препаратов используют ферментатор с обогревающей рубашкой для глубинного культивирования микроорганизмов ферментных препаратов с непрерывной аэрацией стерильным воздухом и механическим перемешиванием при температуре культивирования 30 32°C по всему объему ферментатора; полученную в ферментаторе культуральную жидкость фильтруют для удаления осадка и фильтрат культуральной жидкости с влажностью 92 95% подают в вакуум-сублимационную сушилку, в которой в качестве десублиматора используют двухсекционный испаритель парокомпрессионной холодильной машины, рабочая и резервная секции которого попеременно работают соответственно в режимах конденсации и регенерации; при этом получают «горячую» воду путем ее нагревания в конденсаторе холодильной машины за счет теплоты конденсации хладагента до температуры 68 73°C, одну часть которой направляют в обогревающую рубашку ферментатора, а другую сначала направляют на размораживание секции испарителя, работающей в режиме регенерации, затем охлажденную до температуры 5 7°C воду отводят из секции испарителя в накопительный сборник вместе с жидкостью, образовавшейся из размороженной на поверхности охлаждающего элемента ледяной корки в количестве испарившейся из ферментного препарата влаги, и далее в режиме замкнутого цикла подают по двум потокам, один из которых смешивают с отработанной водой после ферментатора перед конденсатором, а второй - с «горячей» водой перед ферментатором, при этом избыток воды из контура рециркуляции выводят через накопительный сборник, измеряют температуру культивирования в ферментаторе, расход и температуру воды на входе в обогревающую рубашку ферментатора, расход и влажность фильтрата культуральной жидкости, остаточное давление в рабочем объеме вакуум-сублимационной сушилки, влажность высушенного ферментного препарата, расход и температуру водяных паров, отводимых из вакуум-сублимационной сушилки в рабочую секцию испарителя, температуру кипения хладагента в рабочей секции испарителя, температуру несконденсировавшихся паров на выходе из рабочей секции испарителя, уровень воды в накопительном сборнике; устанавливают массовый и тепловой поток смеси охлажденной и «горячей» воды в обогревающей рубашке ферментатора путем изменения соотношения их расходов с коррекцией по температуре культивирования в ферментаторе; по измеренным значениям влажности и расхода фильтрата культуральной жидкости устанавливают мощность привода компрессора холодильной машины и требуемое остаточное давление в рабочем объеме сублимационной сушилки воздействием на мощность регулируемого привода вакуум-насоса с коррекцией остаточного давления по конечной влажности ферментного препарата; по расходу и температуре водяных паров, отводимых из вакуум-сублимационной сушилки в рабочую секцию испарителя, температуре несконденсировавшихся паров на выходе из рабочей секции испарителя и температуре кипения хладагента в рабочей секции испарителя определяют текущее значение коэффициента теплопередачи от водяных паров к хладагенту на охлаждающей поверхности рабочей секции испарителя, и при достижении предельно минимального значения коэффициента теплопередачи сначала увеличивают мощность привода компрессора холодильной машины, а затем производят переключение рабочей секции испарителя с режима конденсации на режим регенерации с одновременным включением на режим конденсации секции, работавшей в режиме регенерации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов и может быть использовано при автоматизации процессов получения и вакуум-сублимационной сушки ферментных препараторов в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности.

Известен способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки по принципу теплового насоса [Пат. РФ 2255279, F26B 25/22, 2005], в котором используют горячий хладагент как источник теплоты для непосредственного процесса вакуум-сублимационной сушки продуктов. При этом конденсатор теплового насоса в виде змеевика размещают в слое замороженных частиц (гранул) продукта, а теплоту конденсации хладагента через трубки змеевика передают замороженным частицам (гранулам) продукта и нагревают его, как минимум, до температуры 70-80°C.

Недостатком известного способа является то, что он не приемлем для сушки ферментных препаратов. При температуре нагрева подавляющего числа ферментных препаратов выше 32 40°C, как правило, неизбежна инактивация биологически ценных веществ, потеря термоустойчивости до полного разрушения ферментов. Кроме того, змеевик в слое замороженных частиц продукта будет препятствовать перемещению продукта во внутреннем объеме сублимационной камеры и снизит эффективность деструкции слоя, а следовательно, и производительность получения порошка ферментного препарата.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ автоматического управления процессом сушки продукта в сублимационной сушилке с камерой, соединенной с секционным десублиматором и вакуум-насосом [Пат. РФ 2108523, кл. F26B 5/06, 1998], предусматривающий стабилизацию остаточного давления в сублимационной камере воздействием на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров с коррекцией по конечной влажности ферментного препарата, а также регулирование соотношения расходов отводящихся из сублимационной камеры водяных паров и хладагента в десублиматор по текущему значению теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, отключение на регенерацию предыдущей секции и подключение следующей при достижении текущего значения теплового потока предельно минимального значения.

Недостатки способа:

- не учитывает механизм теплопередачи между хладагентом и водяными парами через разделяющую стенку десублиматора в условиях нарастающей во времени толщины ледяной корки на ее поверхности, что может привести к снижению качества ферментного препарата из-за отклонения его влажности от заданного значения;

- не предусмотрено использование теплоты конденсации хладагента в конденсаторе холодильной машины для стабилизации температурного режима процесса ферментации для глубинного культивирования микроорганизмов ферментного препарата, что не создает условий для экономии теплоэнергетических затрат и не дает оснований в полной мере считать технологию получения и сушки ферментных препаратов энергосберегающей;

- отсутствие системы подготовки «горячей» воды в замкнутом контуре для размораживания секционного десублиматора не позволяет рассматривать данный способ как энергетически эффективный и экологически безопасный, а отсутствие оперативного управления материальными и энергетическими потоками не создает условий для повышения точности и надежности управления технологическими параметрами на всех стадиях процесса получения высококачественных ферментных препаратов.

Технической задачей изобретения является повышение качества ферментных препаратов за счет повышения точности и надежности управления технологическими параметрами, а также повышение энергетической эффективности и экологической безопасности процессов их получения и вакуум-сублимационной сушки.

Для решения технической задачи изобретения предложен способ управления процессами получения и сушки ферментных препаратов, характеризующийся тем, что для получения ферментных препаратов используют ферментатор с обогревающей рубашкой для глубинного культивирования микроорганизмов ферментных препаратов с непрерывной аэрацией стерильным воздухом и механическим перемешиванием при температуре культивирования 30 32°C по всему объему ферментатора; полученную в ферментаторе культуральную жидкость фильтруют для удаления осадка и фильтрат культуральной жидкости с влажностью 92 95% подают в вакуум-сублимационную сушилку, в которой в качестве десублиматора используют двухсекционный испаритель парокомпрессионной холодильной машины, рабочая и резервная секции которого попеременно работают соответственно в режимах конденсации и регенерации; при этом получают «горячую» воду путем ее нагревания в конденсаторе холодильной машины за счет теплоты конденсации хладагента до температуры 68 73°C, одну часть которой направляют в обогревающую рубашку ферментатора, а другую - сначала направляют на размораживание секции испарителя, работающей в режиме регенерации, затем охлажденную до температуры 5 7°C воду отводят из секции испарителя в накопительный сборник вместе с жидкостью, образовавшейся из размороженной на поверхности охлаждающего элемента ледяной корки в количестве испарившейся из ферментного препарата влаги, и далее в режиме замкнутого цикла подают по двум потокам, один из которых смешивают с отработанной водой после ферментатора перед конденсатором, а второй - с «горячей» водой перед ферментатором, при этом избыток воды из контура рециркуляции выводят через накопительный сборник, измеряют температуру культивирования в ферментаторе, расход и температуру воды на входе в обогревающую рубашку ферментатора, расход и влажность фильтрата культуральной жидкости, остаточное давление в рабочем объеме вакуум-сублимационной сушилки, влажность высушенного ферментного препарата, расход и температуру водяных паров, отводимых из вакуум-сублимационной сушилки в рабочую секцию испарителя, температуру кипения хладагента в рабочей секции испарителя, температуру несконденсировавшихся паров на выходе из рабочей секции испарителя, уровень воды в накопительном сборнике; устанавливают массовый и тепловой поток смеси охлажденной и «горячей» воды в обогревающую рубашку ферментатора путем изменения соотношения их расходов с коррекцией по температуре культивирования в ферментаторе; по измеренным значениям влажности и расхода фильтрата культуральной жидкости устанавливают мощность привода компрессора холодильной машины и требуемое остаточное давление в рабочем объеме сублимационной сушилки воздействием на мощность регулируемого привода вакуум-насоса с коррекцией остаточного давления по конечной влажности ферментного препарата; по расходу и температуре водяных паров, отводимых из вакуум-сублимационной сушилки в рабочую секцию испарителя, температуре несконденсировавшихся паров на выходе из рабочей секции испарителя и температуре кипения хладагента в рабочей секции испарителя определяют текущее значение коэффициента теплопередачи от водяных паров к хладагенту на охлаждающей поверхности рабочей секции испарителя и при достижении предельно минимального значения коэффициента теплопередачи сначала увеличивают мощность привода компрессора холодильной машины, а затем производят переключение рабочей секции испарителя с режима конденсации на режим регенерации с одновременным включением на режим конденсации секции, работавшей в режиме регенерации.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества ферментных препаратов за счет повышения точности и надежности управления технологическими параметрами, а также в повышении энергетической эффективности и экологической безопасности процессов ферментации и вакуум-сублимационной сушки.

На фиг. представлена схема, реализующая предлагаемый способ управления процессами получения и сушки ферментных препаратов.

Схема содержит ферментаторы 1 с обогревающей рубашкой 2; фильтр 3; сублимационную сушилку 4 с питателем-гранулятором 5, вакуумным затвором 6 и нагревателем 7; компрессор холодильной машины 8; конденсатор 9; рабочую 10 и резервную 11 секции испарителя; терморегулирующий вентиль 12; вакуум-насос 13; водяной сборник 14; смесители 15, 16; распределители потоков 17, 18, 19; насосы 20, 21; микропроцессор 22; датчики: FE - расхода, ТЕ - температуры, ME - влажности, РЕ - давления, LE - уровня; И - исполнительные механизмы; линии материальных потоков: 1.0 - охлажденной воды; 1.1 - горячей воды; 1.2 - смеси горячей и охлажденной воды; 1.3 - отработанной воды; 2.0 - водяных паров; 2.1 - вакууммирования несконденсированных паров; 2.2 - стерильного воздуха; 3.0 - питательной среды; 3.1 - инокулята; 3.2 - культуральной жидкости; 3.3 - вывода осадка; 3.4 - фильтрата культуральной жидкости; 3.5 - высушенного ферментного препарата; 4.0 - рециркуляции хладагента.

Способ осуществляется следующим образом.

В ферментаторах 1 с обогревающими рубашками 2 методом аэробной глубинной ферментации осуществляют подготовку культуральной жидкости при температуре 30 32°C при создании оптимальных условия культивирования за счет интенсивного массо- и энергообмена между клетками микроорганизмов питательной среды и посевного материала (инокулята), подаваемых по линиям 3.0 и 3.1. При этом осуществляют аэрацию питательной среды потоком стерильного воздуха, подаваемого в ферментатор по линии 2.2, и ее непрерывное механическое перемешивание по всему объему ферментатора.

Использование нескольких ферментаторов позволит обеспечить непрерывность работы вакуум-сублимационной сушилки, так как время культивирования значительно больше, чем время сушки.

Полученную в ферментаторе культуральную жидкость подают в фильтр 3 для отделения твердой фазы, которую выводят по линии 3.3, а фильтрат культуральной жидкости с влажностью 93 95% через вакуумный затвор 5 по линии 3.4 подают в вакуум-сублимационную сушилку 4, в которой в качестве десублиматора используют двухсекционный испаритель парокомпрессионной холодильной машины, рабочая 10 и резервная секции 11 которого попеременно работают соответственно в режимах конденсации и регенерации.

Парокомпрессионная холодильная машина, включающая рабочую 10 и резервную 11 секции испарителя, компрессор 8, конденсатор 9, терморегулирующий вентиль 12, работает в режиме теплового насоса по следующему термодинамическому циклу.

Хладагент всасывается компрессором 8, сжимается до давления конденсации и по замкнутому контуру 4.0 направляется в конденсатор 9. Затем хладагент направляется в терморегулирующий вентиль 12, где дросселируется до заданного давления, соответствующей температуре кипения хладагента. С этим давлением хладагент поступает в рабочую секцию 10 испарителя и испаряется с выделением холода. Пары хладагента по контуру 4.0 направляются в компрессор 8, сжимаются до давления конденсации, и термодинамический цикл повторяется.

В конденсаторе 9 холодильной машины за счет теплоты конденсации хладагента получают «горячую» воду, которую с температурой 68 73°C подают по линии 1.1 и с помощью распределителя потока 18 разделяют на два потока. Один поток «горячей» воды смешивают с охлажденной водой в смесителе 15 и полученную смесь горячей и охлажденной воды с температурой 55 65°C направляют в обогревающую рубашку 2 ферментатора 1 по линии 7.2, а другой поток «горячей воды» сначала направляют на размораживание секции испарителя 11, работающей в режиме регенерации, затем охлажденную до температуры 5 7°C воду отводят по линии 1.0 из секции испарителя 11 в накопительный сборник 14 вместе с жидкостью, образовавшейся из размороженной на поверхности охлаждающего элемента ледяной корки в количестве испарившейся из ферментного препарата влаги, и далее в режиме замкнутого цикла ее с помощью насоса 20 подают по двум потокам 1.0 в смесители 15 и 16; при этом избыток воды из контура рециркуляции выводят через накопительный сборник 14.

Информация о температуре культивирования в ферментаторе 1; расходе и температуре смеси горячей и охлажденной воды в линии 1.2 на входе в обогревающую рубашку 2 ферментатора 1; расходе и влажности фильтрата культуральной жидкости в линии 3.4; остаточном давлении в рабочем объеме вакуум-сублимационной сушилки 4; влажности высушенного ферментного препарата в линии 3.5; температуре кипения хладагента в рабочей секции испарителя 10; расходе и температуре водяных паров, подаваемых из вакуум-сублимационной сушилки в рабочую секцию испарителя по линии 2,0; температуре несконденсировавшихся паров на выходе из рабочей секции испарителя в линии вакууммирования 2.1; уровне воды в накопительном сборнике 14 с помощью датчиков передается в микропроцессор 22, который по заложенному в него программно-логическому алгоритму осуществляет оперативное управление технологическими параметрами с учетом накладываемых на них ограничений, обусловленных как получением готового продукта высокого качества, так и экономической целесообразностью.

Микропроцессор устанавливает массовый и тепловой поток смеси охлажденной и «горячей» воды с температурой 55 65°C в обогревающую рубашку 2 ферментатора 1 через смеситель 15 в линии 1.2 воздействием на соотношение расходов охлажденной и «горячей» воды с помощью распределителей потоков 17 и 18 путем изменения мощности регулируемых приводов насосов 20 и 21 с коррекцией этого соотношения по температуре культивирования в ферментаторе 1. При этом обеспечивается стабилизация температуры ферментации 30 32°С и рациональное использование теплоты конденсации хладагента в конденсаторе холодильной машины при получении «горячей воды» с температурой 68 73°С.

По измеренным значениям влажности и расхода фильтрата культуральной жидкости, подаваемой в вакуум-сублимационную сушилку по линии 3.4, микропроцессор 22 устанавливает мощность привода компрессора 8 холодильной машины и требуемое остаточное давление в рабочем объеме сублимационной сушилки 4 воздействием на мощность регулируемого привода вакуум-насоса 13. При отклонении конечной влажности высушенного ферментного препарата в линии 3.5 от заданного значения микропроцессор корректирует величину остаточного давления в рабочем объеме вакуум-сублимационной сушилки путем изменения мощности регулируемого привода вакуум-насоса 13.

По температуре и расходу водяных паров, отводимых из сублимационной сушилки по линии 2.0 в рабочую секцию испарителя 10, температуре несконденсировавшихся паров на выходе из рабочей секции испарителя в линии 2.1, температуре кипения хладагента в рабочей секции испарителя 10 микропроцессор непрерывно вычисляет текущее значение коэффициента теплопередачи на охлаждающей поверхности рабочей секции испарителя.

Коэффициент теплопередачи определяет количество теплоты, которое передается от одного теплоносителя к другому (от водяных паров к хладагенту или от хладагента водяным парам) через единицу площади разделяющей их охлаждающей поверхности рабочей секции испарителя в единицу времени при разности температур между теплоносителями 1 град:

,

где Q=Vc (t₁-t₂) - количество теплоты от водяных паров, поступающих из вакуум-сублимационной сушилки в рабочую секцию испарителя парокомпрессионной холодильной машины, к хладагенту, кДж/ч; c, - средние значения теплоемкости, кДж/(кг·К), и плотности, кг/м³, водяных паров; V - объемный расход водяных паров, м³/ч; F - площадь поверхности охлаждающего элемента испарителя, м²; t_ср=(t₁-t₂)/ln[(t ₁-t₃)/(t₂-t₃)] - средний температурный напор, °C; t₁ - температура водяных паров, подаваемых из вакуум-сублимационной сушилки в рабочую секцию испарителя °C, t₂ - температура несконденсировавшихся паров на выходе из рабочей секции испарителя, °C, t ₃ - температура кипения хладагента в испарителе, °C.

Микропроцессор непрерывно вырабатывает сигнал отклонения текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного значения, по которому воздействует на соотношение расходов «водяные пары - хладагент» путем изменения расхода хладагента в линии рециркуляции 4.0 воздействием на мощность привода компрессора 8. При отклонении текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного в сторону уменьшения, микропроцессор увеличивает холодопроизводительность холодильной машины.

Если увеличение холодопроизводительности (расхода хладагента в линии 4.0) не позволяет вывести текущее значение коэффициента теплопередачи на заданное значение, то микропроцессор отключает рабочую секцию испарителя 10 из линии рециркуляции хладагента 4.0 холодильной машины и подключает резервную секцию 11 посредством синхронной работы исполнительных механизмов.

Одновременно микропроцессор 22 осуществляет переключение направления движения горячей воды с помощью распределителя потока 19 в рабочую секцию испарителя холодильной машины 10, которая из режима конденсации водяных паров на ее охлаждающей поверхности переключается на режим регенерации, т.е. режим размораживания ледяной корки.

Охлажденную в процессе размораживания воду до температуры 5 7°C вместе с жидкостью, образовавшейся из размороженной на поверхности охлаждающего элемента испарителя ледяной корки, отводят в накопительный сборник 14, из которого выводят избыток воды из контура рециркуляции при достижении ее уровня верхнего предельного значения.

Микропроцессор осуществляет слежение за количеством горячей воды, отводимой на регенерацию охлаждающей поверхности испарителя по линии 1.1. Сколько горячей воды будет отведено на регенерацию, столько же холодной воды будет добавлено по линии 1.0 через распределитель потоков 17 в смеситель 16 из накопительного сборника 14 насосом 20.

Примеры реализации способа.

Процесс ферментации осуществлялся в ферментаторе аэробной глубинной ферментации с комбинированным подводом энергии: к газовой фазе для аэрации стерильным воздухом с помощью барбатера и к жидкой фазе перемешиванием с помощью механической мешалки, который заключался в дозированной подаче потоков питательной среды, инокулята (посевного материала), стерильного воздуха, горячей воды в обогревающую рубашку для обеспечения высокой интенсивности массо- и энергообмена микробных клеток инокулята с питательной средой за счет стабилизации параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта. Из ферментатора отводили отработанный воздух, отработанную воду и культуральную жидкость в виде смеси, содержащей клетки, внеклеточные метобалиты и биомассу с остаточной концентрацией целевого продукта.

Для выделения целевого продукта из культуральной жидкости ее подвергали фильтрации с удалением осадка биомассы и подачей фильтрата в вакуум-сублимационную сушилку непрерывного действия [Николаенко С.В., Антипов С.Т., Кретов И.Т. Сублимационная сушилка непрерывного действия // Холодильная техника. - 1993. - № 6, С.2-4] со следующими техническими характеристиками:

Производительность сушилки по сухому продукту, кг/ч	2,8-3,2
Остаточное давление в сублимационной камере, Па	62-70
Частота вращения перфорированного барабана, с-1	0,1
Источники нагрева - кварцевые лампы типа КГ-220-1500-5, т	2
Степень заполнения барабана продуктом	0,1-0,2
Тип испарителя (десублиматора)	выносной
Площадь охлаждающей поверхности десублиматора, м2	8
Тип компрессора десублиматора	поршневой одноступенчатый
Холодопроизводительность, кВт	20
Хладагент (фреон 22)	R 22
Массовый расход хладагента на входе в десублиматор, кг/с	0,35-0,58
Теплоемкость хладагента, кДж/(кг·°C)	2,09
Температура конденсации хладагента в конденсаторе, °C	75-80

Для непрерывного ввода фильтрата в вакуум-сублимационную камеру использован питатель-гранулятор [Пат. РФ 2053468, F26B 17/04, 1996], обеспечивающий образование и самозамораживание гранул продукта с последующей их деструкцией и получением порошка ферментного препарата.

Пример № 1.

В качестве объекта вакуум-сублимационной сушки использован ферментный препарат инулиназы, полученный глубинным способом с использованием продуцента микромицета Aspergillus awamori 2250 [Шевцов А.А., Тертычная И.В., Тертычная Т.Н. // Состояние, проблемы и перспективы производства и переработки сельскохозяйственной продукции: Материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 10-летию факультета пищевых технологий, 29-30 марта 2011 г. - г.Уфа, 2011. - С.355-357].

Инулиназа - фермент, гидролизующий инулин в топинамбуре, топин-подсолнечнике, одуванчике и цикории до фруктозы. Фруктоза в 1,73 раза слаще сахарозы, она менее кариогенна, и в этой связи находит все большее применение как сахаросодержащий компонент в диабетическом питании.

Максимальная активность целевого продукта в культуральной жидкости достигалась при следующем режиме ферментации:

Давление стерильного воздуха
при подаче в ферментатор, МПа	0,02-0,03
Частота вращения мешалки, с-1	3,5-3,6
pH жидкой фазы	4,2
Температура ферментации, °C	31±0,5
Влажность фильтрата культуральной жидкости
к общей массе продукта, %	93±0,5
Активность инулиназы, ед/см3	25±3
Активность -фруктофуранозидазы, ед/см3	100±5

При поступлении в вакуум-сублимационную сушилку фермент самозамораживается до температуры - 19±0,5°C, соответствующей уровню остаточного давления 66 67 Па.

В соответствии с этим давлением массовый расход и температура отводящихся из сублимационной камеры в испаритель водяных паров при установившемся режиме энергоподвода с излучателей (кварцевых ламп) составляет 3,2±0,05 кг/ч и - 8±0,5°C, а влажность и температура препарата на выходе из сушилки соответственно равны: 1,5% и 20°C, что отвечает требованиям, предъявляемым к стандартному качеству готового порошка. Активность инулиназы составляет 250 285 ед/г препарата, активность -фруктофуранозидазы - 1000-1032 ед/г препарата.

Учитывая эксплуатационные характеристики сублимационной сушилки и холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса, находим рациональный интервал значений коэффициента теплопередачи от водяных паров к хладагенту через поверхность охлаждающего элемента десублиматора [Данилов Г.Н., Филаткин В.Н. и др. Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной промышленности. - М.: Агропромиздат, 1986. - 288 с.].

В качестве десублиматора использован горизонтальный кожухотрубный испаритель с внутритрубным кипением хладагента R22 холодопроизводительностью Q_o=20 кВт, выполненный из медных трубок диаметром 20×2 мм с алюминиевой вставкой. В межтрубном пространстве движутся водяные пары и конденсируются на поверхности трубок с образованием ледяной корки. Температура водяных паров, входящих в испаритель, t₁=-8°C, температура несконденсировавшихся паров, выходящих из испарителя, t₂=-17°C, температура кипения хладагента t₃=-20°C.

Среднелогарифмический температурный напор между хладагентом и водяными парами:

.

Коэффициент теплопередачи испарителя k_вн, отнесенный к общей поверхности труб, находим по уравнению теплопередачи от водяных паров к хладагенту:

.

Конденсация водяных паров с образованием на охлаждающем элементе испарителя ледяной корки (инея) ведет к постепенному снижению коэффициента теплопередачи от водяных паров к хладагенту через поверхность охлаждающих труб испарителя. В результате процесс конденсации водяных паров на поверхности охлаждающих труб испарителя замедляется, уменьшается расход водяных паров в линии вакуумирования, увеличивается остаточное давление в сублимационной камере и, наконец, снижается скорость влагоудаления.

Изменение условий работы испарителя за счет образования слоя инея (ледяной корки) ( _ин=200 кг/м³), например, толщиной _ин=3 мм, приведет к повышению температуры несконденсировавшихся паров, выходящих из испарителя, с t₂=-17°C до t₂=-14°C, тогда

,

.

Влияние ледяной корки на процесс теплопередачи приводит к снижению теплового потока от водяных паров через ледяную корку к оребренной поверхности трубок испарителя. Масса выпадающего инея при образовании ледяной корки соответствует количеству влаги испаряемой из продукта, например 3,2 кг/ч (или 8,9×10 ^-4 кг/с). При этом объем инея составит:

Образующийся за час слой инея будет иметь толщину

Время образования слоя инея максимально заданной толщины, например 3 мм, составит:

Поэтому в процессе сушки необходимо поддерживать текущее значение коэффициента теплопередачи не ниже 291,72 Вт/ (м²·°C).

При снижении текущего значения коэффициента теплопередачи ниже 291,72 Вт/ (м² ·°C) микропроцессор отключает рабочую секцию испарителя из линии рециркуляции хладагента и подключает резервную секцию.

Одновременно в конденсаторе холодильной машины получают «горячую» воду, которую с температурой 68 73°C смешивают с холодной водой и полученную смесь горячей и холодной воды с температурой 55±0,5°C направляют в обогревающую рубашку ферментатора, обеспечивая заданный режим ферментации препарата.

Пример № 2.

Способ управления процессами получения и сушки ферментного препарата аналогичен примеру 1.

Ферментации и последующей вакуум-сублимационной сушке подвергалась глюкоамилаза Aspergillus awamori ВУДТ-2, которая получила широкое применение в качестве осахаривающего фермента в спиртовом и пивоваренном производствах [Яковлев А.Н., Жеребцов Н.А., Григорав B.C., Шуваева Г.П. Амилаза термотолерантного микромицета A. amavori ВУДТ-2 препаративного получения // Биотехнология. - 1994. - № 3. - С.11-14; Яковлев А.Н., Тертычная Т.Н., Бакулин О.В. // Тезисы докладов международной науч.-практ. конф. «Научно-технический прогресс в бродильных производствах». - 29-31 мая 1997 г. - Воронеж, 1997. - С.39].

Фермент позволяет достаточно полно гидролизовать крахмал до глюкозы, необходимой для осуществления процесса сбраживания и повышения выхода этилового спирта. Максимальная активность целевого продукта в культуральной жидкости достигалась при следующем режиме ферментации:

Давление стерильного воздуха
при подаче в ферментатор, МПа	0,025 0,005
Частота вращения мешалки, с-1	3,8±0,5
pH жидкой фазы	4,5
Температура ферментации, °C	31±0,5
Влажность фильтрата культуральной жидкости
к общей массе продукта, %	95±0,5
Активность фермента, ед/см3	195±5

Процесс вакуум-сублимационной сушки ферментного препаратора с минимальными энергетическими затратами и высоком качестве получаемого препарата обеспечивался при следующем режиме:

Температура самозамораживания фермента, °C	17±0,5
Остаточного давления в вакуум-сублимационной камере, Па	66-67
Температура отводящихся из сублимационной камеры
в испаритель водяных паров, °C	- 8±0,5
Расход водяных паров, кг/ч	2,4±0,05
Влажность препарата на выходе из сушилки, %,	1,5±0,5
Температура препарата на выходе из сушилки, °C,	22±0,5
Активность глюкоамилазы, ед/г	2050-2085

Среднелогарифмический температурный напор между хладагентом и водяными парами при заданной максимально допустимой толщине ледяной корки на оребренной поверхности трубок испарителя, 5±0,3 мм, составит:

.

Предельно допустимое значение коэффициента теплопередачи испарителя k_вн, отнесенного к общей поверхности труб:

.

При достижении коэффициента теплопередачи предельно допустимого значения 343,88 Вт/(м·°C) микропроцессор отключает рабочую секцию испарителя из линии рециркуляции хладагента и подключает резервную секцию и создает необходимый температурный режим ферментации благодаря подготовке горячей воды в конденсаторе холодильной машины и ее подаче в греющую рубашку ферментатора.

Из вышеприведенных примеров следует, что предлагаемый способ управления процессами получения и сушки ферментных препаратов с применением холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса, расширяет границы энергоэффективного сопряжения объектов различных температурных потенциалов на основе утилизации и рекуперации вторичных энергоресурсов. При этом в полной мере реализован универсальный подход в создании конкурентоспособной теплонасосной технологии, обеспечивающей выработку тепла и холода для совместно протекающих процессов ферментации и вакуум-сублимационной сушки.

В предлагаемом способе заданное значение коэффициента теплопередачи испарителя холодильной машины определяется допустимой толщиной ледяной корки на охлаждающих трубах. При этом по коэффициенту теплопередачи осуществляется эффективное управление холодильной машиной, обеспечивая своевременное переключение секций испарителя с режима конденсации на режим регенерации и наоборот, поддерживая при этом параметры непрерывного процесса вакуум-сублимационной сушки в необходимых пределах.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:

- позволяет повысить качество целевого продукта за счет повышения точности и надежности управления технологическими параметрами процессов получения и сушки ферментного препарата;

- позволяет повысить энергетическую эффективность процессов ферментации и вакуум-сублимационной сушки ферментного препарата и снизить удельные энергозатраты на 5 7% за счет рационального использования теплоты конденсации хладагента в конденсаторе холодильной машины при нагревании воды и последующей ее подаче в греющую рубашку ферментатора;

- снижает диапазон разброса значений конечной влажности препарата и нагрузку на привод вакуум-насоса за счет коррекции режима вакуум-сублимационной сушки по коэффициенту теплопередачи от водяных паров к хладагенту через оребренную поверхность трубок рабочей секции испарителя;

- повышает экологическую безопасность процессов получения и сушки ферментных препаратов за счет организации замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам.