УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СПИРТОВОГО БРОЖЕНИЯ

Полезная модель относится к современным устройствам применяемым в спиртовой промышленности для электрофизической обработки и интенсификации спиртового брожения, а именно, к производству этилового спирта.
Известно электрофизическое устройство «Ижица - 1200», включающее камеру с двумя электродами, находящимися под высоким напряжением (40 кВ) для обработки пищевых продуктов с применением высоковольтной ионизации, использующейся в рыбной промышленности, например, при производстве вяленой и копченой рыбы. В основу процесса производства рыбы холодного копчения с использованием электростатического поля (ЭСП) высокого напряжения положен способ, сущность которого состоит в том, что ионизированный газ (воздух), перемещаясь в электрическом поле, сообщает заряд тонкодисперсным частицам вещества (коптильный дым). При этом частицы также совершают упорядоченное направленное движение от одного электрода к другому. При производстве рыбы холодного копчения, ЭСП используется на стадии подсушивания рыбы перед обработкой и в частности перед процессом собственного копчения. После стекания излишней влаги рыбу помещают в специальную камеру электрокоптильной установки «Ижица - 1200» между двумя электродами, находящимися под высоким напряжением (40 кВ). Подсушивание в электростатическом поле необходимо для частичного удаления влаги с поверхности рыбы и подавления роста и развития бактерий, обсеменяющих рыбу до копчения. (Андреева Л.В., Гроховский В.А., Перетрухина А.Т. исследование изменения микробиологических показателей рыбы в процессе холодного копчения в электростатическом поле высокого напряжения // Научный журнал, ISSN 1812-7339 Фундаментальные исследования. - 2004. - № 4 - стр.92-93)
Недостатком аналога является ограниченность использования устройства и невозможность использования применительно к процессам ферментации в биореакторах и интенсификации спиртового брожения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электростатический активатор установленный на замкнутом контуре циркуляции, выполненный в виде труба в трубе с зазором, которые подсоединены через выпрямитель к источнику питания и выполняют роль электродов, при этом на внутренней трубе намотана полимерная труба, один конец которой подсоединен к циркуляционному насосу, а другой к ферментеру. [Патент на полезную модель РФ № 129929]
Недостатком прототипа является сложность в изготовлении электростатического активатора, при малых скоростях и больших концентрациях сухих веществ происходит осаждение и налипание частиц на нижней поверхности внутренней полимерной трубки, тем самым уменьшается сечение и снижая проток обрабатываемой среды.
Задачей полезной модели является разработка устройства для интенсификации спиртового брожения позволяющего увеличить скорость биохимических процессов за счет воздействия электростатического поля на осахаренное сусло с высокими концентрациями сухих веществ, разработать простую в эксплуатации и производстве конструкцию.
Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве для интенсификации спиртового брожения включающем корпус выполненный в виде перехода с круглого сечения трубы на прямоугольное сечение и обратно, причем отношение круглого сечения к прямоугольному 1:5-7, длина прямоугольной трубы не менее 200 мм, ширина меньшей стороны прямоугольной трубы 60 мм, с внешней стороны которого параллельно друг другу размещены 2 металлические пластины, которые подсоединены через выпрямитель к источнику питания и выполняют роль электродов; при этом корпус может быть выполнен из полимерных материалов, или стенки корпуса, соприкасающиеся с металлическими пластинами могут быть выполнены из стекла; устройство устанавливается на вертикальном трубопроводе.
Техническим результатом является ускорение биохимических процессов и интенсификация спиртового брожения после прохождения обработки внутри устройства.
Электростатический активатор предназначен для воздействия энергии электростатического поля на структуру воды, в результате чего появляются активные кислородсодержащие частицы, разрывающие химические связи сложных органических агломератов, что позволяет микроорганизмам затрачивать меньше внутренней энергии для получения необходимых клеткам питательных субстратов. Низкомолекулярные органические соединения, находящиеся в культуральной жидкости или водных растворах, быстрее подвергаются биохимическому расщеплению, что и является главной причиной ускорения биохимических процессов в ферментерах. Микроорганизмы, использующие низкомолекулярные субстраты, всегда обладают высоким приростом биомассы, что и увеличивает выход конечного продукта из единицы поступившего сырья.
Корпус выполненный в виде перехода с круглого сечения трубы на прямоугольное сечение и обратно, предназначен для увеличения обрабатываемого объема с сохранением расстояния между электродами.
Опытным путем было определено, что наиболее оптимально отношение круглого сечения к прямоугольному 1:5-7, при меньшем соотношении осахаренное сусло быстро проходит устройство для интенсификации спиртового брожения и недополучает внутреннюю энергию для ускорения процесса.
Длина прямоугольной трубы должна составлять не менее 200 мм, более точно она определяется в зависимости от скорости протекания потока по системе трубопроводов, металлические пластины которые выполняют роль электродов установлены именно на этом участке, 200 мм отрезка трубы с учетом внутреннего объема трубы достаточно для активации и по опытным значениям это наиболее оптимальная длинна, при ее уменьшении будет сокращаться предполагаемый выход этилового спирта, а увеличение длинны не приведет к увеличению выхода этилового спирта и увеличит стоимость устройства. Опытным путем получено, что меньшая сторона прямоугольной трубы должна составлять около 60 мм, т.к. с внешней стороны параллельно друг другу размещены 2 электрода, то при увеличении или уменьшении расстояния между ними меняется и напряженность электростатического поля, что создает избыток или дефицит энергии необходимой для процесса активации, избыточная энергия не будет использоваться и приводет к дополнительным затратам, а дефицит уменьшает выход конечного этилового спирта.
Корпус может быть выполнен из полимерных материалов для снижения стоимости, стенки корпуса, соприкасающиеся с металлическими пластинами могут быть выполнены из стекла, т.к. стекло как и полимеры не проводят ток.
Проведенные авторами исследования показали, что после воздействия электростатического поля повышается ферментативная активность микрофлоры, что приводит к ускорению процесса брожения и увеличению выхода готовой продукции из единицы используемого сырья.
При малых напряженностях электростатического поля 11,0-13,0 кВт/м удается увеличить глубину деструкции сложных органических агломератов. Процесс не является энергоемким, так как электроэнергия расходуется только на оборудовании (выпрямитель, стабилизатор и др. в зависимости от электросети).
Данное устройство для интенсификации имеет небольшие размеры, предлагаемые размеры выбраны с учетом компактности и нецелесообразности использования больших габаритов, при аналогичной эффективности работы устройства и может быть размещено на любом участке вертикального трубопровода подводящего осахаренное сусло к ферментеру, не потребует дополнительных площадей и глубоких конструктивных изменений в системах трубопроводов.
Корпус может быть выполнен из ток непроводящих полимерных материалов, а стенки корпуса, соприкасающиеся с металлическими пластинами могут быть выполнены из стекла.
В устройстве используется простая конструкция, что делает его удобным в эксплуатации, при вертикальной установке крупные частицыне задерживаются на стенках корпуса, и производстве, устройство состоит из легко изготовляемых компонентов.
Полезная модель поясняется двумя схематическими изображениями.
На фиг. 1 - представлен вид сбоку устройства для интенсификации спиртового брожения.
На фиг. 2 - представлен вид сверху устройства для интенсификации спиртового брожения.
Устройство включает корпус выполненный в виде перехода с круглого сечения трубы на прямоугольное сечение и обратно, причем отношение круглого сечения к прямоугольному 1:5-7, длина прямоугольной трубы не менее 200 мм, ширина меньшей стороны прямоугольной трубы 60 мм, с внешней стороны которого параллельно друг другу размещены 2 металлические пластины, которые подсоединены через выпрямитель к источнику питания и выполняют роль электродов; при этом корпус может быть выполнен из ток непроводящих полимерных материалов, или стенки корпуса, соприкасающиеся с металлическими пластинами могут быть выполнены из стекла, устройство устанавливается на вертикальном трубопроводе.
Устройство работает следующим образом.
Осахаренное сусло по вертикальному трубопроводу 1 поступает во встроенный в систему трубопровода корпус 2 устройства, где происходит деструкция сложных органических агломератов под действием электростатической обработки, осуществляемой параллельно размещенными друг другу металлическими пластинами 3, создающими напряженность ЭСП 11,0-13,0 кВт/м, которые подсоединены через выпрямитель (не показан на рис.) к источнику питания и выполняют роль электродов, далее по отводящему трубопроводу 4 обработанное осахаренное сусло попадает в ферментер и смешивается с дрожжевой суспензией.
Сообщение дополнительной энергии в сложные органические растворы приводит к нарушению молекулярных связей и сложные органические вещества деградируют до более простых соединений. Более простые соединения быстрее и легче усваиваются микроорганизмами. В предлагаемом устройстве создаются необходимые условия для начала деградации сложных органических веществ.