Уксус применяют в значительном количестве в домашнем хозяйстве и в промышленности пищевых продуктов для заквашивания и в качестве приправы к кушаньям, особенно салатам, а также для консервирования овощей, таких, как цветная капуста и огурцы (маринованные овощи), а также грибов и рыбных продуктов, для изготовления горчицы и майонеза. Уксус, полученный с помощью уксуснокислых бактерий, называется спиртовым уксусом, однако для пищевых целей применяют и уксус, полученный синтетическим путем. Также уксус (уксусную кислоту) используют для растворения органических красителей, при получении медикаментов, пластмасс, синтетических волокон [2, 5].
1.10 Вредители уксуса
1.10.1 Микробные поражения
Микробные поражения вызываются, прежде всего, вследствие образования слизистых веществ и расщепления уксусной кислоты. Хотя различные виды уксусных бактерий могут образовывать слизистые вещества, наибольшие трудности вызываются, по-видимому, только видом Acetobacter. В чанах для окисления, например в генераторе Frings, из-за слизи может нарушаться аэрация и сильно сокращаться образование уксуса.
Многие микроорганизмы и среди них гифомицеты, мицелиальные дрожжи и сами уксуснокислые бактерии могут расщеплять разведенную уксусную кислоту на углекислый газ и воду:
СН3СООН + 2О2 > СО2 + 2Н2О
Во время изготовления уксуса расщепление уксусной кислоты наступает тогда, когда недостает спирта или имеется избыток воздуха [2, 5].
1.10.2 Немикробные вредители
На уксусных предприятиях и в округе встречаются в массовом количестве различные виды клещей и дрозофилы обыкновенной (Drosophila). С ними можно относительно легко бороться, применяя инсектициды. Уксусная угрица (Anguillula aceti) (рис. 6)
Рис. 6. - Женская особь с приплодом в различных стадиях развития (увеличено в 120 раз).
Может проникать в уксусные чаны, исключая глубинные установки, размножаться в них и вызывать существенные трудности и потери. Живородящие нематоды длиной 2 мм и толщиной 0,04 мм для человека безвредны, однако вызывают помутнение, а также вкусовой брак и неприятный запах уксуса. Их можно уничтожить нагреванием до 54°С или обработкой сернистым газом, а затем относительно легко отфильтровать [2, 5].
В литературном обзоре было проведено исследование основных способов микробиологического синтеза уксусной кислоты, выбран метод получения, который рассматривается как основной.
В ходе исследования синтеза было рассмотрено несколько методов получения, из которых один уже не используется это «Орлеанский метод», так как он морально устарел. Следующий метод, который был рассмотрен это «быстрый способ уксусного брожения», этот метод достаточно производителен в особенности по непрерывной схеме, но он также вытесняется более современными методами. На данный момент широкое распространение имеют «глубинные методы». «Глубинный метод с использованием ацетатора», «двустадийный глубинный полупроточный процесс» и «проточное культивирование» эти три метода имеют свои преимущества и недостатки, но все они сейчас используются в промышленном синтезе уксусной кислоты, как наиболее современные методы. Метод «проточного культивирования» был выбран как основной метод получения уксусной кислоты в данной работе.
Так же в литературном обзоре были рассмотрены продуценты уксусной кислоты, стадии подготовки исходного сырья, подготовки питательной среды, получения посевного материала, очистки полученного продукта и подготовки к применению, применение уксуса и вредители уксуса. Была рассмотрена химия получения уксусной кислоты.
2. Технологическая схема микробиологического синтеза уксусной кислоты
На рис. 7 изображена технологическая схема микробиологического синтеза уксусной кислоты. Римскими цифрами обозначены основные материальные потоки, арабскими цифрами обозначено технологическое оборудование.
I. - посевной материал;
II. - исходное сырье для приготовления питательной среды;
III. - питательная среда;
IV. - этанол;
V. - атмосферный воздух;
VI. - воздух на выходе из батареи реакторов;
VII. - уксусная кислота после синтеза;
VIII. - бентонит;
IX. - лимонная кислота;
X. - отходы (биомасса, бентонит);
XI. - очищенный продукт готовый к расфасовке.
1. - инокулятор для получения посевного материала; 2. - реактор для приготовления питательной среды; 3. - напорный бак для питательной среды; 4. - напорный бак для этанола; 5. - вихревой насос; 6. - паровая колона для подогрева питательной среды до температуры стерилизации; 7. - выдерживатель питательных сред при температуре стерилизации; 8. - теплообменник для охлаждения стерильных питательных сред; 9. - ферментатор; 10. - компрессор; 11. - осветлитель; 12. - фильтр пресс; 13. - сборник готового очищенного продукта; 14. - фасовочный аппарат.
Ферментацию проводят в батарее, состоящей из пяти последовательно соединенных ферментаторов. Каждый аппарат снабжен мешалкой, барботером и змеевиковым теплообменником. В первый ферментатор загружается посевной материал, и непрерывно подаются питательная среда, а также стерильный воздух. При этом создаются оптимальные условия для быстрого размножения уксуснокислых бактерий. Первый ферментатор является генератором уксуснокислых бактерий для всех последующих аппаратов; в нем также происходит окисление этилового спирта в уксусную кислоту.
Культуральная жидкость передается из ферментатора в ферментатор за счет давления, создаваемого воздухом. В каждом ферментаторе обеспечиваются условия, способствующие интенсивному окислению этилового спирта в уксусную кислоту. Для поддержания нужной концентрации спирта во второй, третий, четвертый и пятый аппараты добавляют 40%-ный этиловый спирт. Температура и интенсивность аэрации от ферментатора к ферментатору снижаются. Но при всем этом для процесса окисления требуется достаточно большие количества кислорода, который поступает с помощью компрессора, вместе с атмосферным воздухом, в каждый аппарат батареи, через барботер.
Посевную культуру уксуснокислых бактерий выращивают в лаборатории, в колбах на качалках, а затем в инокуляторе на жидкой питательной среде, после чего полученный посевной материал подают в первый ферментатор, где происходит генерация уксуснокислых бактерий.
Так же, в первый ферментатор подается питательная среда, которая проходит стадию стерилизации, данная стадия заключается в том, что питательную среду нагревают в паровой колоне до температуры стерилизации, затем подают в выдерживатель, где питательная среда находится заданное время при температуре стерилизации, после чего ее подают в теплообменник, где происходит охлаждение уже стерильной питательной среды, затем в напорный бак и после этого среда подается в ферментатор.
После того как культуральная жидкость пройдет через все пять аппаратов, она выходит из последнего с концентрацией уксусной кислоты не ниже 9 % и не выше 9,2 - 9,3 %. Воздух, который также выводиться из последнего аппарата уходит в атмосферу, не нуждаясь в какой - либо очистке, а культуральная жидкость попадает на стадию осветления. Ее осветляют бентонитом с добавлением небольшого количества лимонной кислоты. После перемешивания раствор уксуса подают на фильтр пресс, где из него отдельно выводятся отходы - это биомасса и бентонит, а так же отфильтрованный раствор уксуса, который поступает в сборник готового продукта, а затем на фасовочный аппарат (розлив).
Рис. 7. Технологическая схема микробиологического синтеза уксусной кислоты.
3. Расчет модели реактора на ЭВМ
Для расчета был выбран ферментатор, действующий по схеме реактора идеального смешения. Ферментатор выполнен из нержавеющей стали и снабжен мешалкой, барботером и змеевиковым теплообменником. Ферментатор используется для проведения процесса уксуснокислого брожения при глубинном культивировании. Исходным реагентом является смесь этилового спирта и затравки уксусной кислоты. Процесс идет при постоянной аэрации, т.к. уксуснокислые бактерии - строгие аэробы. Так как в ферментаторе протекает экзотермический процесс, и температура реакционной массы быстро поднимается, тепло нужно отводить (уксуснокислое брожение протекает при температуре 28 - 30 єС), для этого используются специальные устройства, такие как теплообменники. В данном случае применяется встроенный внутрь реактора змеевиковый теплообменник (расчет на ЭВМ ведется для реактора с рубашечным теплообменником). В целях перемешивания реакционной массы и равномерного ее распределению по всему объему реактора, применяются устройства, которые называются мешалки. Мешалки бывают разнообразных видов: якорные, рамные, листовые, пропеллерные и т.д.
теплоноситель теплоноситель
исходный реагент
Рис. 8. Реактора со встроенным змеевиковым теплообменником
Продукт
Механическое перемешивание (наиболее распространенное в промышленности) осуществляется при помощи мешалок различного типа. Каждая мешалка представляет собой ту или иную комбинацию лопастей, насажанных на вал.
Различают следующие типы мешалок:
· лопастные
· пропеллерные
· турбинные
· специальные
Лопастные мешалки разделяются на:
1. собственно лопастные (для высоковязких сред)
2. листовые (для маловязких сред)
3. рамные
4. якорные (для высоковязких, способных налипать, сред)
5. Z - образные (применяются в резиновой промышленности для перемешивания клеев).
Пропеллерные мешалки в качестве рабочего органа имеют устройство, напоминающее гребной винт, лопасти которого укреплены на втулке, насажанной на вал. Диаметр лопастей d не должен превышать 0,2 - 0,33 диаметра корпуса D.
Окружная скорость вращения до 15 м/с.
Пропеллерные мешалки применяются для создания эмульсий, тонких суспензий и аэрозолей путем диспергирования газа в дисперсионной среде. Циркуляционные потоки жидкости приводят к образованию воронки.
Турбинные мешалки в качестве рабочего органа имеют устройство, напоминающее колесо турбины. Колеса турбинной мешалки бывают, открытыми и закрытыми. При вращении турбины создаются два циркуляционных потока (зоны) вследствие отбрасывания жидкости от колеса в радиальном направлении. Турбинные мешалки являются быстроходными 12 м/с. Они используются для перемешивания вязких жидких масс, получения эмульсий и суспензий с крупными твердыми частицами.
Для перемешивания и вязкопластичных сред используются шнековые и ленточные мешалки.
Теплообменные аппараты предназначены для передачи теплоты между различными средами. Теплообменные аппараты по назначению подразделяются на теплообменники, холодильники, конденсаторы и испарители. В теплообменниках теплота регенерируется жидкой или газообразной средами.
По роду теплоносителей в зависимости от их состояния теплообменные аппараты различаются на парожидкостные, жидкостно-жидкостные, газожидкостные, газо-газовые и парогазовые. Теплообменные аппараты по конфигурации поверхности теплообмена разделяют на трубчатые с прямыми трубками, змеевиковые, ребристые, спиральные, пластинчатые, а по компоновке ее - на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», оросительные и т.д. Наиболее распространены кожухотрубчатые теплообменные аппараты.
Реактор - это устройство, предназначенное для проведения химического процесса.
Существует несколько классификаций реакторов, приведем, только две основные:
1. По способу отвода и подвода исходного сырья и продукта реакции:
· Реактор периодического действия,
· Реактор непрерывного действия,
· Реактор полупереодического действия,
· Реактор полунепрерывного действия.
2. По гидродинамическому режиму:
· Реактора смешения,
· Реактора вытеснения.
Реактор идеального смешения периодического действия (РИСП).
Происходит мгновенное перемешивание исходных реагентов таким образом, что их концентрации во всех точках объема одинаковы.
Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИСН).
Исходные реагенты загружаются в реактор непрерывно, продукты отводятся так же непрерывно.
Реактор идеального вытеснения (РИВ).
В РИВ реакционная масса движется в одном направлении с постоянной скоростью, без продольного и поперечного перемешивания. В виду схожести такого движения с движением поршня в цилиндре, его также называют поршневым.
Краткое описание свойств уксусной кислоты и ее констант.Уксусная кислота СН3СООН - является типичным представителем органических кислород содержащих кислот. Она является бесцветной прозрачной жидкостью, более вязкой, чем вода (1,22 мПа*С) с характерным резким запахом. Данная кислота имеет плотность 1,05 г/см3 при 20 0С, поверхностное натяжение 27,8*103 Н/м, теплоемкость 0,49 ккал/кг*0С. СН3СООН смешивается в любых соотношениях с водой, эфиром благодаря своей природе и способности диссоциировать на ионы. Она хорошо растворяет серу, фосфор, галлоидоводороды. Безводная уксусная кислота (ледяная) является хорошим растворителем для многих органических соединений, но может вступать с ними в химическое взаимодействие и соответственно изменять их свойства.СН3СООН является устойчивым к действию температур соединением: в газообразном состоянии она не разлагается при температуре около 400 0С. Имеет теплоту сгорания 3490 ккал/кг.Уксусная кислота с химической точки зрения является типичной органической кислотой с соответствующими свойствами. Она реагирует с основаниями, спиртами, аминами. Вступает в реакции замещения атома водорода в СН3-группе на галоген, может образовывать ангидриды как внутри, так и межмолекулярные.При попадании на кожу, как и все кислоты, вызывает ожоги. Ее пары оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки дыхательных путей, глаз и могут повредить их.
СН3СООН широко используется при производстве ацетатов, полимерных материалов и композиций, эфиров и т.д. Данная кислота нашла свое применение и в пищевой, текстильной промышленности. Большое значение имеют производные данного соединения.
3.1 Алгоритм расчета
1. Конечная концентрация реагирующего компонента А.
Са к = Са 0 (1 - Ха к)
2. Численное дифференцирование интегральной и кинетической кривой.
Vr = ДCa / Дф
3. Среднее время пребывания в реакторе идеального смешения.
фсм = (Са 0 - Са к) / Vrк
4. Объем реакционной массы.
Vp = qvфсм / 3600
6. Тепловая мощность реактора.
7.
Q = qv [qt Са 0 Ха к - Cp с (tk - tн)] / 3600
6. Расход хладагента
Gw = 3600 * Q / [Gw (twk - tw)]
7. Диаметр реактора
Da = 3vVр
8. Высота стенки
На ? Da
9. Площадь смоченной стенки.
Fc = р На Da
10. Площадь элиптического днища.
FD = 1.35 Da2
11. Общая смоченная поверхность.
Fa = Fc + FD
12. Средняя движущая сила.
Дtc = (twk - twн) / ln [(tk - twн) / (tk - twk)]
13. Средняя температура хладагента в режиме вытеснения.
txc = tk - Дtc
14. Вязкость реакционной массы при средней температуре.
м = м0 e-вtk
15. Вязкость хладагента.
мw = мw0 e-вx t kc
16. Коэффициент Ренольдса в аппарате с мешалкой.
Re = сwDм , где Dм = d0t * Dа
17. Коэффициент Прандтля в аппарате с мешалкой.
Pr = 1000 Ср м / л
18. Объемный расход воды.
Qw = Gw / 3600 сw
19. Средняя скорость воды.
Vx = Qw / Sp
20. Коэффициент Ренольдса для хладагента в рубашке.
Reх = Vxdэсw / мw
21. Коэффициент Прандтля для хладагента в рубашке.
Prх = 1000Cw мw / лw
22. Коэффициент Нуссельта для аппарата с мешалкой.
Nu = 0.36 Re0.67 Pr0.33 (Pr/ Pr ст)0,14(Dм/ Da)
23. Коэффициент теплоотдачи
б = Nuл / Dм
24. Удельная тепловая мощность реакционной массы.
qг = б(tx - x)
25. Температура ржавчины со стороны воды.
tw = х - qг(rc + дc/лc)
26. Коэффициент Нуссельта для хладагента в рубашке.
Nuх = 0,037 Reх0,8 Prх0,4 (Pr/ Pr ст)0,25, если Re > 5*105
27. Коэффициент теплоотдачи воды.
бх = Nuхлх / Dэ, где Dэ = 2др
28. Удельная тепловая мощность от стенки к воде.
qx = бx(tw - txc)
29. Средняя удельная тепловая мощность.
qc = (qx + qг)/2
30. Необходимая поверхность теплопередачи.
F = 1000 Q/qc
31. Необходимая высота рубашки, если F < Fc, то
Hp = f/ рDa
32. Коэффициент теплопередачи.
Кt = qc / Дtc.
Рис. 9. Схема экзотермического реактора идеального смешения.
3 4 qk, Ca 0, tн
1 - корпус реактора,
2 - рубашка,
3 - крышка реактора,
4 - мешалка.
Gx, twн 1
2
qv, Ca k, tk
Таблица 2.3.2 Таблица идентификаторов программы «Ирис»
Наименование параметров | Размер -ность | Обозначение | Величина | ||
В лекции | В программе | ||||
Исходные данные: | |||||
Производительность | м3/час | qv | qV | 0.5 | |
Начальная конц-я реагирующего компонента А | моль А/м3 | Са,0 | Са0 | 11 | |
Степень конверсии | - | Х | Хак | 0,83 | |
Массив конц-й комп. А заданной интегральной кинетической кривой | моль А/м3 | Са | Са i | Табл. 9 | |
Массив времени реакции | с | ф | ti | Табл. 9 | |
Число точек выше названого массива | - | n | n | 15 | |
Начальная температура реакционной массы | єС | tH | tH | 20 | |
Температура реакционной массы в реакторе | єС | tK | tK | 30 | |
Справочные данные: | |||||
Тепловой эффект реакции по компоненту А. | кДж/моль А | qt | qt | 493.11 | |
Плотность реакционной массы при рабочей температуре. | кг/м3 | с | с | 781 | |
Вязкость реакционной массы при t=0 єC | Па*с | м0 | Vi0 | 0.00056 | |
Температурный коэффициент вязкости реакционной массы. | К-1 | в | be | 0.0062 | |
Теплоемкость реакционной массы | кДж/кг*К | Ср | СР | 5,15 | |
Теплопроводность реакционной массы | Вт/м*К | л | la | 0,63 | |
Начальная температура хладагента на входе в рубашку. | єС | twн | twн | 10 | |
Конечная температура хладагента на выходе из рубашки. | єС | twk | twk | 25 | |
Теплоемкость хладагента | кДж/кг*К | Cw | CW | 4,19 | |
Вязкость хладагента при t=0 єC | Па*с | мw | Viw0 | 0.001 | |
Коэффициент вязкости | К-1 | вw | bew | 0,0057 | |
Плотность хладагента при средней температуре рубашки. | кг/м3 | сw | row | 972 | |
Теплопроводность хладагента при средней температуре рубашки. | Вт/м*К | лw | law | 0,68 | |
Ширина кольцевого сечения рубашки в котором движется хладагент. | м | др | dр | 0,006 | |
Толщина стальной стенки реактора | м | дст. | dc | 0,006 | |
Теплопроводность стенки реактора | Вт/м*К | лст | lас | 17.2 | |
Термическое сопротивление стенки рубашки. | Вт/м*К | rc | rc | 0.0002 | |
Относительный диаметр мешалки | - | Dm/Da | dот | 0,3 | |
Обороты мешалки | об/сек | щ | nm | 25 | |
Расчетные параметры: | |||||
Конечная конц-я основного реагирующего компонента А. | моль А/м3 | Са,к | Сак | 1,87 | |
Массив средней конц. реагирующего компонента А в дифференциальной кинетической зависимости | моль А/м3 | Са,ср | Сас i | Табл. 10 | |
Массив времени на дифференциальной кинетической кривой. | моль А/м3*с | Vr | Vri | Табл. 10 | |
Скорость хим. реакции соответствующая конечной концентрации компонента А | Vrк | VrК | 0,3Е-4 | ||
Среднее время пребывания в РИС | с | фсм | tсм | 304330 | |
Среднее время пребывания в РИВ | с | tв | tв | 134330 | |
Отношение объемов РИС и РИВ | - | Vот | Vot | 2.27 | |
Объем реакционной массы в РИС | м3 | Vp | VP | 42.269 | |
Тепловая мощность | кВт | Q | q | 6,2116 | |
Массовый расход хладагента в рубашке. | кг/час | Gw | gw | 355.8 | |
Расчетный диаметр реактора | м | Da | da | 3.4791 | |
Высота цилиндрической части | м | Ha | HA | 3.4791 | |
Эквивалентный диаметр | м | dэ | de | 0.2E-2 | |
Диаметр мешалки | м | Dм | dm | 1,0437 | |
Площадь сечения кольцевого зазора в рубашке. | м2 | Sм | Sm | 0.065884 | |
Вязкость реакционной массы при температуре реакции. | Па*с | м | Vi | 0,465Е-3 | |
Вязкость реагента при средней температуре в рубашке. | Па*с | мw | Viw | 0.8965E-3 | |
Re для реакционной массы. | - | Re | Re | 0.4575E+8 | |
Pr для реакционной массы. | - | Pr | Pr | 3.8008 | |
Объемный расход хладагента | м3/с | Qw | qw | 0.1017E-3 | |
Скорость хладагента в рубашке. | м/с | Vx | Vx | 0.1543E-2 | |
Re для хладагента в рубашке. | - | Reх | Reх | 10.04 | |
Pr для хладагента в рубашке. | - | Prх | Prх | 5,5236 | |
Средняя движущая сила. | К | Дtс | dtc | 10.82 | |
Средняя температура хладагента. | єС | txcp | txc | 19.18 | |
Отношение чисел Pr | - | Pr/Prст | PrO | 0.99836 | |
Nu для реакционной массы | - | Nu | Nu | 22757 | |
Коэффициент теплоотдачи реакционной массы. | Вт/м2*К | б | al | 13736 | |
Отношение Pr для хладагента. | - | Pr/Prх | PrOx | 1.05 | |
Nu для хладагента. | - | Nuх | Nuх | 3,721 | |
Коэффициент теплоотдачи хладагента. | Вт/м2*К | бх | alx | 421.71 | |
Удельная тепловая мощность реакционной массы. | Вт/м2*К | qг | qg | 3628.7 | |
Удельная тепловая мощность хладагента. | Вт/м2*К | qх | qх | 3611,7 | |
Средняя удельная тепловая мощность хладагента. | Вт/м2*К | qс | qс | 3620,2 | |
Температура накипи со стороны реакционной массы. | єС | Х | Х | 29,74 | |
Температура ржавчины в рубашке. | єС | tw | tw | 27.74 | |
Поверхность боковой цилиндрической стенки реактора. | м2 | Fст | fc | 38,006 | |
Поверхность эллиптического днища. | м2 | Fд | fd | 16,340 | |
Общая поверхность стенки днища реактора. | м2 | Fa | fa | 54,347 | |
Необходимая расчетная поверхность теплопередачи. | м2 | F | f | 1,7158 | |
Высота аппарата и рубашки. | м | Нр | НР | 0,15706 | |
Коэффициент теплопередачи. | Вт/м2*К | Кt | Кt | 334.58 |
