Регулирование процесса брожения

Регулирование температуры брожения

Регулирование температуры брожения, технологическая операция, проводимая с целью создания оптимальных температурных условий для приготовления вин определенного типа, а также для обеспечения активной жизнедеятельности винных дрожжей. В бочках температура брожения, как правило, не превышает 25°С, т. е. находится в пределах, допускаемых технологическими инструкциями, и не нуждается в специальных устройствах для регулирования температуры брожения, достаточно лишь поддерживать температуру воздуха бродильного цеха в пределах 15—20°С. Регулирование температуры брожения осуществляется за счет интенсивного испарения водно-спиртовых паров через поры клепок, а также благодаря сравнительно малой вместимости бочек — до 60 дал. В крупных металлический и железобетонных резервуарах регулирование температуры брожения за счет тепловых потерь в окружающую среду становится невозможным. Поэтому при брожении в крупных резервуарах температуру брожения необходимо регулировать искусственно и, как правило, в сторону ее понижения. Исключение составляет необходимость нагрева сусла до 14—18°С для нормального протекания процесса брожения в период похолодания воздуха до температуры 10°С и ниже. Один из самых распространенных и простых способов регулирования температуры брожения сусла — брожение доливным способом (см. брожение виноградного сусла). На графике брожения сусла доливным методом в крупных резервуарах видны перепады температуры и резкие изменения скорости брожения, соответствующие моментам доливки свежего сусла. Таким образом можно увеличивать продолжительность брожения и снижать температуру брожения. Особенно эффективно регулирование температуры брожения доливным способом при предварительном охлаждении подаваемого на брожение сусла до 10—12°С и ниже. Эффективно регулирование температуры брожения сусла при применении искусственного холода. В этом случае хладагент подают в охладительную рубашку бродильного резервуара, в змеевиковый теплообменник, расположенный непосредственно в бродильном резервуаре, или тонким слоем непосредственно на наружную поверхность бродильного резервуара. С увеличением вместимости бродильных резервуаров до 10 тыс. дал и более бродящее в них сусло необходимо периодически перемешивать с целью избегания перегрева в отдельных частях бродящей массы. Температуру процесса периодического брожения сусла можно регулировать автоматически с помощью терморегулятора ПТР-П-04. Перспективным является метод регулирования температуры брожения с помощью избыточного давления. Давление 0,5 МПа при температуре 18°С может увеличивать продолжительность брожения до 20—30 суток. Предложено также регулирование температуры брожения проводить с помощью следующих приемов: переливкой бродящего сусла с аэрацией, основанной на увеличении тепловых потерь в окружающую среду (недостаток метода в том, что аэрация способствует ускорению размножения дрожжей и тем самым увеличению скорости сбраживания, а следовательно, и температуры брожения); охлаждением водой температурой 12—14°С из артезианских скважин; применением льда (из-за разбавления вина водой, образовавшейся при таянии льда, не нашел применения); применением сухого льда (метод эффективный, но дорогостоящий); центрифугированием или фильтрацией бродящего сусла, что позволяет удалить из него часть дрожжей и снизить таким образом скорость сбраживания; перекачкой бродящего сусла в др. резервуар (метод малоэффективный); добавлением сернистого ангидрида в количестве 300—400 мг/дм 3 (малоэффективен, т. к. винные дрожжи сравнительно быстро становятся сульфитостойкими).

Источники: Валуйко Г. Г. Технология столовых вин. — Москва, 1999; Теория и практика виноделия: Перевод с французского — Москва, 1980. — Т. 3; Современные способы производства виноградных вин / Под общ. ред. Г. Г. Валуйко. — Москва, 2004.

Автоматизированная система регулирования температурного режима процесса брожения биомассы

технические науки

• Лукьянова Лидия Азаматовна , магистр, студент
• Лукьянов Валерий Владимирович , магистр, студент
• Башкирский государственный аграрный университет

• НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
• АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
• БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ
• ЭНЕРГЕТИКА

Похожие материалы

Биогазовые установки это достойная альтернатива традиционным источникам энергии. Они позволяют добиться значительной экономии энергетических ресурсов за счет выделения газа, а так же повысить урожайность за счет выработки качественных удобрений.

Для эффективной работы биогазовой установки следует соблюдать температурный диапазон процесса брожения, для функционирования бактерий, способствующих брожению сырья.[1,2,3,4]

Для решения этого вопроса предлагается следующий вариант исполнения биогазовой установки.

Рисунок 1. Технологичная схема предлагаемой биогазовой установки: 1 — газовое хранилище; 2 — компрессор; 3 — фильтр; 4 — удобрения; 5 — панель управления; 6 — устройство перемешивания; 7 — биореактор; 8 — хранилище отходов; 9,11 — насосы; 10 — газовый котел; 12,13 — датчики температуры; 14 — электропривод.

Фермерские отходы загружаются в хранилище отходов (8), откуда после, посредством насоса поступают в биореактор (7), где в процессе брожения, датчик температуры (12) проводит замер текущей температуры субстрата t_iб, и если t_iб t_max подача газа уменьшается, завершается перемешивание субстрата. Так же предусмотрен еще один датчик температуры (13), который при прорыве трубопровода или же другой аварии или поломке оборудования будет предохранять от перегрева котла. После окончательного сбраживания, биогаз, проходя очистку через фильтр (3), поступает в газовое хранилище (1) для дальнейшего использования, а перебродивший субстрат поступает в качестве удобрений в емкость (4). Далее начинается новый процесс переработки сырья.

Касательно программного обеспечения системы, предлагается следующая структурная схема работы.

Рисунок 2. Структурная схема автоматизированного управления регулирования температурного режима процесса брожения биомассы: БГУ — биогазовая установка; ДТ1 — датчик температуры в биореакторе; ДТ2 — датчик температуры в топке котла; ЭП1 — электропривод устройства механического перемешивания; ЭП2 — электропривод устройства регулирования подачи газа; К — газовый водогрейный котел; БУ — блок управления.

Написанная программа, будет работать по алгоритму, представленному на рисунке 3. Составляющие которого являются: t_ib — текущая температура биомассы, ºC; t 1 _d — допустимая температура биомассы, ºC; t_ik — текущая температура в топке котла, ºC; t 2 _d — допустимая температура в топке котла, ºC.

Рисунок 3. Алгоритм программы регулирования температурного режима процесса брожения биомассы

Предлагаемая система автоматизированного управления регулирования температурного режима процесса брожения биомассы позволит повысить эффективность брожения органических отходов, контролируя и регулируя основной параметр — температуру, что позволит получать наибольший объем биогаза высокого качества.

Список литературы

1. Дейнеко А.А., РАЗВИТИЕ БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РФ // А.А. Дайнеко, Д.Ю. Суслов // Современные наукоемкие технологии, – 2014. – № 7-2. – С. 64-67.
2. Онучин, Е. М. Биогазовая установка с устройством для перемешивания и каталитического обогрева субстрата [Текст] / Е.М. Онучин, А.А. Медяков, Р.В. Яблонский // Альтернативная энергетика и экология. – 2010. – №11. – С. 91-94.
3. Стребков Д.С., БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА // Д.С. Стребков, А.А. Ковалев А.А. // Техника и оборудование для села,- 2006. – №11. – С.28-30.
4. «Энергосовет» – Электронный журнал по энергосбережению [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.energosovet.ru (дата обращения 11.01.2018).
5. Харди Б. Android. Программирование для профессионалов [Текст] // Б. Харди и [др]. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2016. – 640 с.

Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.

Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.

Периодическое брожение

Брожение периодическим способом состоит из трех периодов:

• • забраживание;
• • бурное брожение;
• • тихое брожение.

Бродильная емкость заполняется суслом примерно на 2/3 ее вместимости и вносится 2—3% бурно бродящей разводки ЧКД.

Период забраживания продолжается 1—2 суток.

Бурное брожение наступает на 3—4 сутки с повышением температуры сусла и выделением большого количества углекислоты. В этой стадии брожения в сусле будет содержаться 2—3 млн/см 3 клеток ЧКД. При этом сусло «кипит», увеличивается в объеме. Нередко сусло в это время нуждается в искусственном охлаждении. Во время бурного брожения регулярно измеряют температуру сусла (через 6—10 ч) и один раз в сутки его плотность с пересчетом на сахара. По этим данным строят график брожения. Продолжительность бурного брожения 5—8 суток.

Тихое брожение наступает с момента накопления 7—8% этилового спирта и продолжается от 3 до 12 суток в зависимости от температуры. В этот период емкости доливают сначала на 90—95% вместимости резервуара, постоянно отслеживая содержание сахаров, с тем чтобы зафиксировать окончание спиртового брожения. После полного сбраживания сахаров резервуары доливают дополна и проводят полный физико-химический, микробиологический и органолептический анализ.

Брожение сусла периодическим способом осуществляется в мелких емкостях (бочки) и в крупных резервуарах. Периодическое брожение в бочках, при условии что температура воздуха не подвержена значительным колебаниям, может пройти без искусственного охлаждения, так как температура бродящего сусла регулируется путем отдачи тепла брожения через клепки бочек и не превышает технологически допустимого уровня. Брожение в бочках требует больших затрат ручного труда, но получаемые виноматериалы лучше осветляются и обладают высоким качеством.

Брожение в крупных резервуарах более экономично и широко распространено в США, Италии, Венгрии, Франции. Обычно используют металлические или железобетонные резервуары вместимостью 1,5—5 тыс. дал и даже от 20 до 50 тыс. дал.

Заполнение суслом крупных резервуаров может продолжаться от нескольких дней до 1—2 недель, причем каждый раз подают порцию охлажденного сусла, что сбивает повышение температуры. Темпера- туру регулируют с помощью охлаждения бродящего сусла на выносных теплообменниках или через охладительные рубашки резервуаров.

Для винодельческих предприятий, перерабатывающих большие объемы односортного винограда, перспективным способом сбраживания сусла в крупных резервуарах является доливной. Известно два таких способа сбраживания сусла, освоенные промышленностью.

Первый, промышленно освоенный способ в бывшем СССР разработан Краснодарским институтом пищевой промышленности и доработан в Институте «Магарач». Способ предназначен для использования резервуаров вместимостью 1—5 тыс. дал и не предусматривает искусственного охлаждения сусла в процессе сбраживания. По последней причине соблюдение максимальной температуры брожения, предусмотренной технологическими инструкциями и не превышающей 26 °С, может быть обеспечено только в сравнительно благоприятных условиях сезона виноделия (температура сусла 15—16 °С и температура воздуха 18—20 °С).

Второй промышленно освоенный способ предложен Ташкентским политехническим институтом. Он предусматривает проведение процесса брожения в двух фазах: логарифмической фазе, при постоянной массовой концентрации сахаров (140—150 г/дм 3 ) и объемной доле этанола (2—3%) в среде, и стационарной фазе развития дрожжей, при постоянной объемной доле этанола (9—10%) и массовой концентрации сахаров (1—2 г/дм 3 ). Однако предложенный способ требует установки дополнительного оборудования — ферментера-дозатора для проведения логарифмической фазы брожения, что усложняет его ведение. Кроме этого, ведение процесса на двух фазах развития дрожжей, причем на второй фазе с небольшой и все уменьшающейся скоростью разбавления, удлиняет его продолжительность в 3—4 раза. Все это снижает технико-экономические показатели процесса при незначительном улучшении качества виноматериалов.

В Институте микробиологии и вирусологии Академии наук Казахстана разработан способ, который предусматривает ведение процесса брожения при объемной доле спирта среды в пределах 8—10%.

В Институте «Магарач» было предложено несколько доливных способов, прошедших производственную проверку.

Первый способ — непрерывно-беспроточное брожение — предусматривает ведение процесса при постоянной скорости разбавления бродящей среды свежим суслом. Оптимальная скорость разбавления принимается равной 0,01 ч -1 . Способ предусматривает использование искусственного холода для охлаждения свежего сусла. Математическая модель процесса разработана для случая применения термоизолированных резервуаров и ориентировочно может также применяться для расчетов режимов брожения в крупных резервуарах при потерях тепла в окружающую среду, не превышающих 20%.

Второй способ — непрерывно-доливное брожение с регулированием температуры за счет пропорциональной подачи сусла в бродильный резервуар.

Оба способа основаны на непрерывных (1-й способ) и периодических доливках равномерными порциями (2-й способ) бродящей среды свежим неохлажденным суслом с таким расчетом, чтобы в процессе брожения было установлено тепловое равновесие между количеством тепла, выделяющимся при брожении, и потерями тепла в атмосферу. Практическое соблюдение вышеуказанного условия оказалось невозможным и брожение сусла в опытах проходило с повышением температуры до 32 °С. Они могут быть осуществлены только при значительном увеличении длительности процесса (30 суток и более) при сравнительно низких температурах окружающего воздуха.

Сущность еще одного способа заключается в том, что за счет дозированной подачи сусла на брожение с определенной температурой обеспечивается продолжительная жизнедеятельность дрожжей в условиях их воспроизводства и брожения. При этом устанавливается оптимальная концентрация дрожжевых клеток 120—180 млн/см 3 , что бывает, как правило, при остаточной массовой концентрации сахаров 5—25 г/дм 3 . Отличительная особенность способа — скорость сбраживания сахаров по методу принимается постоянной.

Во всех случаях необходимо, чтобы температура свежего сусла, поступающего на брожение, не превышала 18—20 °С.

Таким образом, сопоставительный анализ выявленных направлений позволяет сделать вывод, что технология сбраживания сусла, основанная на идее теплового равновесия между количеством выделившегося при брожении тепла и потерями тепла в окружающую среду, не может быть воспроизведена в реальных условиях без ухудшения технико-экономических показателей процесса и нередко качества продукции.

Анализ динамики основных параметров периодического брожения в бочках (температура и плотность бродящего сусла) показывает, что, наряду с относительно равномерным ростом температуры брожения, сусло постепенно обедняется сахаром и также постепенно обогащается спиртом. Именно это обстоятельство в большей степени определяет высокое качество получаемых виноматериалов при прочих равных условиях. То, что доливным способом в неизолированных резервуарах возможно воспроизвести характерные особенности брожения в бочках периодическим способом (в части основных параметров), подтвердила экспериментальная проверка.

Доливки свежего сусла можно производить после незначительного забраживания сусла. В дальнейшем следует вести процесс так, чтобы с очередной порцией свежего сусла сахаров вводилось преимущественно меньше, нежели сбраживалось в промежутках между доливками. С последней доливкой и при полном заполнении резервуара, чтобы не спровоцировать резкого скачка температуры при дображива- нии сусла, должно быть введено не более 20—30 г/дм 3 сахаров, что может повысить температуру не более чем на 2—3 °С.

Чтобы выполнить эти условия, предложены формулы, выведенные на основе следующих рассуждений. Очевидно, что если в бродильном резервуаре находится объем бродящего сусла V_x с массовой концентрацией сахаров S_6p, а с очередной доливкой вливается объем свежего сусла V₂ с массовой концентрацией сахаров S_H, увеличивая при этом массовую концентрацию сахаров бродящего сусла на AS, то будет справедливо следующее равенство:

Разделив обе части равенства (1) на l/j-S_6p и проведя соответствующие преобразования, получим значение V₂, т.е. объем очередной доливки:

Далее, если объем V_l имеет температуру t_6p, а объем V₂ – t_H, то будет справедливо следующее равенство:

где At — понижение (-) или повышение (+) температуры брожения, °С.

Из этого равенства, разделив обе его части на Vj-t_6p, можно также вывести уравнение для расчета объема У₂. После соответствующих преобразований:

(для понижения температуры брожения) и

(для повышения температуры брожения).

Поскольку левые части равенств 2, 4 и 5 равны, приравниваем пра вые части и найдем значение температуры t_H:

(для понижения температуры брожения) или

(для повышения температуры брожения).

Равенство (3) можно преобразовать и в другом направлении, решая его относительно t_H.

Тогда

(для понижения температуры)

(для повышения температуры брожения).

Таким образом, получены формулы (2), (4), (5) для определения объема свежего сусла, вливаемого с очередной доливкой, и формулы (6—9) для определения температуры, до которой его нужно охладить или нагреть.

Выведенные формулы являются математической моделью процесса брожения доливным способом для неизолированных резервуаров, находящихся на открытых площадках.

Практически технология приготовления сухих виноматериалов выглядит следующим образом (рис. 3.13). В резервуар вводят свежее осветленное и охлажденное до 10—12 °С (но не выше 15 °С) сусло в количестве приблизительно 0,1 объема резервуара, в том числе 3—10% активно бродящей разводки дрожжей. После незначительного забраживания (можно 10 г/дм 3 сахаров) приступают к периодическим доливкам. Объем и температуру доливаемого сусла определяют в зависимости от обстановки в резервуаре расчетным путем по формулам математической модели процесса (2), (4) или (5—7) или (8), (9). Объем и частоту доливок назначают из условия повышения массовой концентрации сахаров в бродящей среде не более чем на 30 г/дм 3 , сбраживания при этом в промежутках между очередными доливками, также не более чем на 20—30 г/дм 3 сахаров. Температуру доливаемого сусла назначают из условия поддержания заданной температуры брожения, которая не должна превышать установленных значений, т.е. 26 °С. Содержание сахаров в бродящем сусле постепенно понижают и доводят при полном заполнении резервуара до кондиций в зависимости от типа приготовляемого виноматериала.

Существует еще дробный, трехступенчатый способ брожения сусла в резервуарах вместимостью 1—2 тыс. дал. В пустой резервуар вносится 2—3% разводки ЧКД и 1/3 осветленного сусла. На 3—4 сутки брожения вносят еще 1/3 сусла с температурой 10—15 °С, а затем через

2—3 суток задается последняя порция сусла в количестве 1/3. Таким образом, дображивание сусла осуществляется в дополна заполненном резервуаре. При реализации дробного способа брожения затруднена возможность регулирования температуры брожения.

Рис. 3.13. Аппаратурно-технологическая схема выработки виноматериал с использованием доливного способа брожения:

• 1 — автомашина; 2 — шнек-питатель; 3 — дробилка-гребнеотделитель;
• 4 — мезгосборник; 5 — стекатель; 7 — дожимочный пресс; 8, 9 — суслосборник; 10, 11, 14, 17 — суслонасосы; 12 — охладитель; (подогреватель); 13 — отстойник; 15 — ультраохладитель; 16 — бродильный резервуар

Источники:

http://eniw.ru/regulirovanie-temperatury-brozheniya.htm
http://novainfo.ru/article/15318
http://m.studme.org/283057/prochie/periodicheskoe_brozhenie