Математическая модель кинетики процесса брожения сусла

Сортированные, проинспектированные и вымытые плоды измельчают до размера 3-6 мм. Дробленные или целые плоды для размягчения мякоти нагревают в шнековых подогревателях или дигестерах до 90-95°С.

Извлечение сока проводится на непрерывнодействующих центрифугах НВШ-350, ФГШ-401К или экстракторах типа 2П8-1М. Полученный на центрифуге сок пропускают через финишер.

Подготовленные компоненты - плодовый сок и айвовый пектиновый экстракт дозируют, смешивают в соответствии с рецептурой. Напиток нагревают, гомогенизируют, подвергают деаэрации и подогреву.

Фасуют на разливочных машинах ТБА-19 и ТБА-21, формующих пакет емкостью 0,2 л.

Согласно технологическим схемам, производство новых пектиносодержащих функциональных напитков можно осуществлять на механизированных и автоматизированных линиях сокового производства, включающих следующее технологическое оборудование: инспекционный транспортер ТСИ, сушилку марки Фермерская, двутельные котлы МЗС-244, фильтр-прессы СФ-42Ж, просеиватель Пионер, деаэратор ДТУ, вакуум-аппарат ВНИИКОП, наполните-

ли В4-КНП-1 и АНС, паровой стерилизатор ВК-75, пастеризатор ЕК-18, автоклавы АВ-2, центрифугу НВШ-350.

Таким образом, разработанные технологические схемы позволят перерабатывающим предприятиям рационально использовать оборудование и выпускать высококачественную экологически чистую продукцию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Донченко Л.В. Функциональные продукты питания -проблемы и перспективы пектинового производства // Междунар. конф. «Функциональные продукты питания (Кубань - 2001)»: Тез. докл. - Краснодар, КубГАУ, 2001. - С. 13-18.

2. Донченко Л.В. Технология пектина и пектинопродук-тов. - М.: ДеЛи, 2000. - 255 с.

3. Родионова Л.Я. Применение жидких пектинопродук-тов в производстве консервированных изделий и напитков // Хране -ние и переработка с.-х. сырья. - 1994. - № 3. - С. 25-26.

Кафедра технологии хранения и переработки растениеводческой продукции

Кафедра сервиса транспортного и технологического оборудования

Поступила 05.10.07 г.

663.45

МА ТЕМА ТИЧЕСКАЯМОДЕЛЬ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА БРОЖЕНИЯ СУСЛА

Е.Н. КОНСТАНТИНОВ, Т.Г. КОРОТКОВА, Р.С. ШАЗЗО

Кубанский государственный технологический университет

Проектирование спиртовых производств, оптимизация технологического режима брожения, прогноз параметров процесса при переходе на новое сырье или расу дрожжей с использованием минимума экспериментальных данных требует разработки математической модели кинетики процесса брожения.

Брожение рассматривают обычно как ферментативную реакцию [1], которая протекает во всем объеме бродящего сусла. Однако в реальных условиях ферментативные процессы протекают в дрожжах, а наряду с ферментативной реакцией происходит массообмен между поровой (содержащейся в дрожжах) и наружной жидкими фазами и между наружной жидкой фазой и парогазовоздушной смесью, находящейся над ней. Влияние всех этих факторов является аддитивным.

Указанные особенности учтены нами при математическом описании кинетики брожения. Допустим, что ферментативная реакция протекает только в дрожжах по следующей схеме:

*1 К

Р + С12Н22011 • Н20 • АР  4С2Н5ОН + 4С02 + Р,

К3

где С12Н22О11 - сахароза; Р - фермент; Н2О - вода; АР - промежу -точный компонент; С2Н5ОН - этиловый спирт; СО2 - углекислый газ; К1, К2 - константы скоростей прямых реакций; К3 - константа скорости обратной реакции.

Введем обозначения: А - С12Н22О11; В - С2Н5ОН; Г - СО2. Тогда реакцию можно представить в виде

К к2

Р + А• Н2О • АР  4В + 4Г + Р.

К

Фермент не переносится из поровой жидкости твердой фазы в фазу наружной жидкости, т. е. не участвует в процессе массообмена и не теряется при испарении. При применении закона действующих масс для описания скорости ферментативной реакции использованы концентрации в поровой жидкости. Химической реакцией в наружной жидкой фазе пренебрегли.

Массопередача происходит между поровой и на -ружной жидкостью. При этом спирт переходит из пор в наружную жидкость, а сахар - из наружной жидкости в поровую. Учитывая, что концентрации переносимых компонентов невелики, можно использовать уравнения массопередачи в бинарных смесях.

В результате идентификации получены следующие значения параметров поровой адсорбционной модели [2]:

Диа1 = 5080,13; Аиа2 = 2577,17;

Ша = 0,0570, Na = 0,0249.

"чЫ $ Ц" 1 чЫ $ Ч2 " 1

Потери спирта от испарения происходят из-за утечки газов через неплотности и за счет дыхания бродиль-

•  А ♦ - экспериментальные данные

ных чанов, возникающего из-за изменения температуры и давления. Нами принято, что расход парогазовой смеси Оисп, покидающей бродильный чан, остается неизменным в течение времени брожения. Количество потерь спирта в момент т за единицу времени составляет

йт

= О У = о°

и-* у е

273

(273* 7)22,4

йСА

йт

=

йСР

йт

= (-К 1СРСА *(К2 * К3 )САР );

йС

йСР

С

йт

йт йт

= 4К 2 С АР * К В 5 (С В - Св)/ Кп

Потоки сахара КА

при массопередаче направлены от наружной жидкости к поровой.

Данные по межфазному равновесию в системе дрожжи-сусло отсутствуют, поэтому величину равновесной концентрации СВ определяли на основе обобщения собственных экспериментальных данных по равновесию в системе сусло-дрожжи с использованием поровой адсорбционной модели [2], основанной на методах группового и локального состава. При идентификации экспериментальных данных по поровой адсорбционной модели пренебрегли реальным присутствием несброженных сахаров и считали, что смесь является бинарной: спирт-вода, причем концентрация спирта в ней равна определенной хроматографически крепости наружной и поровой жидкости. При идентификации использовали формулы поровой модели для бинарной смеси. Для наружной жидкости использовали уравнения ИМрИАС.

В наружной жидкости состав изменяется за счет отвода вещества массопередачей в поровую жидкость и парогазовую фазу.

где 0°б - расход парогазовой смеси, м3/ч; Кн - объем наружной жид -

3 йс в; „

кости, м ; Вн^ - изменение концентрации спирта в наружной жид -

йт

кости за единицу времени; уВ - мольная доля спирта в газовоздуш -ной смеси; Т- температура брожения, °С.

Величина Оаб являлась одним из параметров идентификации модели кинетики процесса брожения, который подбирался таким образом, чтобы обеспечить минимум суммы квадратов отклонений расчетных и экспериментальных значений концентраций в конце брожения, т. е. по истечении 72 ч.

Состав паровой фазы (уВ) рассчитывали по уравнению ИШрИАС для изобарно-изотермического процесса.

В поровой жидкости состав изменяется за счет ферментативной реакции и за счет подвода вещества мас-сопередачей из наружной жидкости. Поэтому получим следующие уравнения процесса брожения для поровой жидкости:

йт

йС еН

йт

-Ка5(СА -Са )/Гп ; -Кв5(СВ -Св )/Кп -

-Оо

273

(273* Т)22,4Кн

Ув.

где Сд, Ср, Св, Сар - концентрации сахарозы, фермента, спирта, промежуточного компонента в поровой жидкости, кмоль/м3, соответственно; т - продолжительность брожения, ч; Ка, Кв - коэффициенты массопередачи сахара и спирта из поровой жидкости в наружную, м/с; КП - объем поровой жидкости, м3; 5 - поверхность массо -2

передачи, м ; индекс * означает равновесное состояние; индексы «п» и «н» - поровую и наружную жидкости.

где Сдл, СВн - концентрации сахарозы и спирта в наружной жидко -сти, кмоль/м3.

Система дифференциальных уравнений (2)-(7) совместно с уравнениями равновесия [2] является математическим описанием кинетики процесса брожения. Эта система решена методом Эйлера. При разработке математической модели брожения была проведена ее идентификация и определены численные значения параметров модели на основе собственных экспериментальных данных (рисунок). В результате идентификации определены: начальная концентрация фермента СР = 0,76 кмоль/м3, константы скоростей прямых реакций К1 = 0,9, К2 = 0,8. Разработанная математическая модель использована при проектировании установки по получению пищевого спирта с использованием в качестве исходного материала эндосперма зерна.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соболев Э.М. Технологические аспекты производства напитков из винограда машинного сбора: Дис. ... д-ра техн. наук. -М., 1991. - 374 с.

2. Константинов Е.Н., Короткова Т. Г. Квазихимиче-ский метод описания адсорбционного равновесия для расслаиваю -щихся жидких смесей (основные соотношения) // Теорет. основы хим. технологии. - 1994. - 28. - № 3. - С. 243-250.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 19.10.07 г.

В