Способ поглощения кислорода из воздуха
Изобретение относится к сфере сельского хозяйства и пищевой промышленности, в частности к способам хранения сочной сельскохозяйственной продукции. Способ основан на поглощении кислорода из воздуха в процессе корректировки соотношений компонентов воздуха в среде камер хранения сельскохозяйственной продукции. При непрерывном дыхании хранимой продукции и периодическом дыхании микроорганизмов на дополнительном объеме питательной среды осуществляют отвод избытка углекислого газа из газовой смеси, циркулирующей по замкнутому контуру «камера - корректор соотношений компонентов воздуха - камера», и ее стерилизацию. При этом скорость поглощения кислорода в процессе аэробного окисления микроорганизмами дополнительно вводимых органических веществ, инокулированных микроорганизмами, выше скорости ферментативного окисления углеводов хранимой сельскохозяйственной продукции в процессе дыхания. Количество дополнительно вводимых в процесс органических веществ, инокулированных микроорганизмами, соответствует необходимому объему поглощения кислорода в объеме хранения в заданное время. Обеспечивается сохранение питательной ценности хранимой продукции более длительное время, повышение экологической чистоты процесса, пожаровзрывобезопасности и снижение энергозатрат. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к сельскому хозяйству и пищевой промышленности, в частности, к способам используемым для обеспечения хранения сочной сельскохозяйственной продукции при охлаждении с коррекцией соотношений компонентов воздушной (КСКВ) среды хранения.
Известен способ создания и регулирования состава газовой среды хранения, в том числе и поглощения кислорода воздуха в процессе применения диффузионной газоразделительной установки типа "БАРС" (А.Ф.Тяжкороб, В.И.Бондарев. Генераторы газовых сред для хранения плодоовощной продукции. Стр.87-89). Установка "БАРС" ваккуумированием через мембрану создает перепад давлений на границе «камера-генератор» по всем компонентам воздушной среды хранения ("Полимерные пленки для выращивания и хранения плодов и овощей. / Под ред. С.В.Генеля и З.Е.Гуля. М.: Изд. Химия, 1995 г., стр.156-159). Неравномерная проницаемость мембран для разных газов позволяет создать совместно с дыханием продукции рациональное соотношение компонентов среды хранения. К недостаткам этого аналога можно отнести регулирование концентрации О2 преимущественно за счет дыхания хранимой продукции, зависимость производительности установки "БАРС" от требуемого состава газовой среды. Срок службы пленочных мембран составляет не более 3-5 лет.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ создания и регулирования газовой среды в камерах хранения сельскохозяйственной продукции путем окисления органических веществ в процессе ферментации микроорганизмов. В способе, включающем процессы непрерывного дыхания хранимой продукции и периодического дыхания микроорганизмов на дополнительном объеме питательной среды, осуществляют отвод избытка углекислого газа из газовой смеси, циркулирующей по замкнутому контуру «камера - корректор соотношений компонентов воздуха - камера», и ее стерилизацию. Осуществляется поглощение кислорода и образование углекислого газа, концентрация которого регулируется скруббированием и в процессе создания CO2 и в процессе хранения. Недостатком прототипа является ход процесса до конца, т.е. до преобразования углеводов в СО2 и Н2О, в связи с чем увеличивается скруббирующее СО2 устройство (патент RU №2060001, опубл. 20.05.1995 (прототип)).
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по снижению количества углекислого газа, производимого в процессе ферментации микроорганизмов, чем должно достигаться снижение объема углекислого газа, подлежащего поглощению скрубберами. Кроме того, ставилась задача снижения объема субстрата при ферментации микроорганизмов. При этом обеспечивается достижение технического результата, состоящего в повышении экологической чистоты процесса, пожаровзрывобезопасности и снижении энергозатрат.
Указанный технический результата достигается тем, что в способе поглощения кислорода из воздуха в процессе корректировки соотношений компонентов воздуха в среде камер хранения сельскохозяйственной продукции, включающем процессы непрерывного дыхания хранимой продукции и периодического дыхания микроорганизмов на дополнительном объеме питательной среды, осуществляют отвод избытка углекислого газа из газовой смеси, циркулирующей по замкнутому контуру «камера - корректор соотношений компонентов воздуха-камера», и ее стерилизацию, обеспечивают скорость поглощения кислорода в процессе аэробного окисления микроорганизмами дополнительно вводимых органических веществ, инокулированных микроорганизмами, выше скорости ферментативного окисления углеводов хранимой сельскохозяйственной продукции в процессе дыхания. Причем, количество дополнительно вводимых в процесс органических веществ, инокулированных микроорганизмами, соответствует необходимому объему поглощения кислорода в объеме хранения в заданное время.
Аэробное окисление дополнительно вводимых в процесс инокулированных органических веществ осуществляют в процессе ферментации уксусных бактерий на водных растворах спиртов или глюкозы до стадии органических кислот. А углекислый газ поступает в среду хранения только в процессе дыхания хранимой продукции. Причем, ферментацию уксусных бактерий, осуществляющую окисление этилового спирта в процессе поглощения кислорода из среды хранения, заканчивают накоплением в растворе субстрата уксусной кислоты. А накопившуюся в растворе субстрата уксусную кислоту используют в качестве субстрата для биотехнологии, в частности для производства микробного белка или при производстве лизина.
Сущность способа заключается в размещении, в соседствующем и соединенным с камерой хранения, объема неких микроорганизмов, аэробным дыханием которых при ферментации на питательных средах поглощают кислород из среды хранения сочной сельскохозяйственной продукции со скоростью интенсивностью, превышающей интенсивность дыхания хранимой продукции. Например, при поглощении кислорода в процессе ферментации бактерий на спиртосодержащих субстратах или глюкозе до стадии органических кислот процесс ферментации выделением CO2 не сопровождается. Стерилизацию газового потока осуществляют на входе в корректор соотношений компонентов воздуха (КСКВ) фильтрацией и пропусканием через слой воды, а на выходе - предварительной конденсации паров из газовой смеси на примесях газового потока и стенках теплообменника с последующим накоплением и возвратом конденсата и примесей, а также в процессе коррекции смеси по содержанию углекислого газа в скруббере. В качестве питательных сред используют предварительно переработанные отходы сельского хозяйства (фрукты нестандартные), например в углеводную продукцию, изготовленную из продукции, идентичной хранимой при низких температурах.
В способе поглощения кислорода из воздуха в качестве субстрата предлагается использовать слабые (водные) растворы спиртов и глюкозу, в том числе этилового спирта. Биохимические процессы ферментации осуществляются бактериями, в том числе уксусными, например, Acetob. orleanense, Acetob Schutzenbachii и др. Общей чертой описанных уксуснокислых бактерий является их способность окислять питательные материалы не до конечных продуктов (СО2 и Н2О), а только до стадии органических кислот. При окислении этилового спирта они накапливают уксусную кислоту, а при окислении других спиртов образуют другие конечные продукты. Так они могут окислять пропиловый спирт в пропионовую кислоту, бутиловый спирт в масляную кислоту, манит в левунезу, глюкозу в глюконовую кислоту, гликоль в гликолевую кислоту и т.д. (см. М.Ф.Федоров. Микробиология. ГИЗ сельскохозяйственной литературы. М., 1955, стр.254-257; Дж.Бейли, Д.Оллис. Основы биохимической инженерии. М.: Мир. 1989, стр.358, 359). Образующиеся при этом продукты ферментации могут быть использованы в дальнейшем либо в процессе последующего окисления, либо как субстрат для ферментации продукта другого назначения. Например, уксусная кислота представляет собой очень перспективный субстрат для биотехнологии: на ней хорошо развиваются дрожжи как источник микробного белка или в биосинтезе лизина (см. В.А.Быков, М.Н.Монаков, В.И.Панфилов, А.А.Свитцев, Н.В.Тарасова. Т.5. Биотехнология. Производство белковых веществ. стр.59, 60).
Поскольку используются при поглощении кислорода жидкие субстраты, имеющие плотность примерно в два раза большую, чем твердофазные субстраты, объем субстратов оказывается меньшим, чем по патенту RU №2060001 (прототипу). При этом продукт ферментации не сбрасывается в окружающую среду, поэтому не требует устройства дополнительных сетей для отвода на очистные сооружения.
Процесс аэробной ферментации проводят в цилиндрических ферментерах, наполненных буковыми стружками или другими, иммобулизующими бактерии наполнителями. Бактерии прирастают к буковым стружкам или наполнителям. Цилиндрические ферментеры имеют перфорированные крышки и донные листы, позволяющие осуществлять пропуск расхода глюкозы или водного раствора спиртсодержащего субстрата и выполнение хорошей аэрации ферментера.
Стерилизацию газового потока на выходе из корректора соотношений компонентов воздуха (КСКВ) осуществляют путем конденсации влаги паров спирта, кислоты и осаждения вместе с ними примесей на охлажденных поверхностях теплообменника, а далее фильтрации среды хранения через скруббер. На входе в КСКВ воздушный поток фильтруют перед вентилятором, пропускают барботированием через слой воды. В теплообменнике произойдет конденсация и паров спирта, и кислоты (уксусной); конденсат спирта и кислоты возвращают в поток циркулирующего субстрата, а примеси через фильтр отводят.
В предпочтительном варианте субстрат изготавливают в виде сброженного сока падалицы, нестандартной (исключая гнилую), нереализуемой части фруктов по технологии выработки виноматериалов.
На чертеже представлена схема данного способа.
Газовая смесь из камеры (камер) 1, охлажденная воздухоохладителем 2, через запорно-регулирующую арматуру 12 по трубопроводу 3 через фильтр 18 и холодный контур теплообменника 10 подается вентилятором 5 в ферментатор 4 циклического действия. Ферментатор 4 в необязательном порядке может быть трансформирован в ферментатор непрерывного действия 4 дополнением емкостей 16 и 17 с обвязкой трубопроводами и запорно-регулирующей арматурой по жидкости 15. Окисляемый кислородом воздуха субстрат 8 насосом 9 подается в ферментатор 4 и распыляется над решетчатым дном 7, под которым размещен инокулированный бактериями наполнитель 6 (буковая стружка или иммобилизующий бактерии пористый материал), отдельными струями движется навстречу потоку газовой смеси по наполнителю, накапливается в нижней воронке ферментатора 4 и направляется насосом 9 на рециркуляцию. При переводе ферментатора 4 на режим непрерывного действия дополнительный субстрат вводится насосом 9 из емкости 16, а излишек субстрата отводится из накопительной емкости 17. Отстоявшийся субстрат 8, насыщенный кислотами в нижней части, отводится в емкость 17. Отведенные из теплообменника 10 конденсат и примеси через фильтр 19 возвращаются в субстрат 8. Газовая смесь из ферментатора 4, прошедшая в контакте с пленкой жидкости на наполнителе, отдавшая часть кислорода жидкости, направляется в теплый контур теплообменника 4, где охлаждается потоком воздуха из камеры хранения 1 от холодного контура теплообменника, отдает излишние примеси в конденсат воды, спирта и уксуса и направляется в один из скруббирующих блоков 11 через запорно-регулирующую по воздуху арматуру 11. Направление движения газовой смеси через скруббирующую установку выбирается так, чтобы один из скруббирующих блоков 11 находился в режиме регенерации, а другой в режиме поглощения углекислого газа. Очищенная газовая смесь от скруббирующей установки по трубопроводу 14 направляется в камеру хранения сочной сельскохозяйственной продукции 1.
Микробиологическая культура в ферментаторах в аэробном процессе ферментации, поглощающей кислород, выделяет органические кислоты и теплоту.
Способ осуществляется следующим образом. После загрузки камеры хранения с последующим охлаждением продукции до (-1)-(+4)°С предназначенную для хранения камеру герметизируют и соединяют с системой циркуляции внутреннего воздуха через фильтр и корректор соотношений компонентов воздуха (КСКВ) в составе среды хранения. Одновременно заполняют жидкостью гидрозатворы исполнительных устройств для уравнивания давления атмосферного воздуха с давлением внутренней среды камеры хранения.
К этому моменту приводят в действие КСКВ, для чего производят загрузку стерильного наполнителя (буковую стружку или пористый материал), инокулированного субстрата и производят инокуляцию наполнителя пропуском по нему инокулированного жидкого субстрата (водного раствора спиртов или глюкозы). После начала перемещения воздуха через наполнитель КСКВ, начала ферментации, приводящей к окислению органических веществ, чистый объем ферментатора через стерилизующий фильтр, теплый контур теплообменника подключают к объему камеры хранения. При этом воздух из камеры хранения, подогретый до 16-30°С, циркуляционным вентилятором направляется через слой наполнителя КСКВ, с закрепившимися на нем бактериями, навстречу поступающего жидкого субстрата - питательной среды, также инокулированной бактериями. В процессе растворения в воде, поглощения кислорода микроорганизмами и образования органических кислот выделяется тепло. Углекислый газ в этом процессе не образуется. Количество азота при этом остается неизменным, он не окисляется. Потоками воздуха и жидкости генерируемое биологическое тепло отводится к поверхностям с меньшей температурой, например, в теплообменнике, где тепло отдается подходящему со стороны камеры хранения холодному воздуху, повышая его температуру до необходимой для обеспечения активной ферментации. При этом в теплообменнике со стороны с более высокой температурой из воздушной смеси, идущей от КСКВ, выпадают в виде конденсата пары спирта, кислоты (уксуса) и влаги. Вместе с ними в теплообменнике остается до 99% механических и органических примесей, которые через фильтры отводятся, а конденсат возвращается в систему циркуляции субстрата. Вместе с воздухом из камеры хранения поступает избыточное по отношению к нормальному количество углекислого газа, выделяемого при дыхании хранимой продукции.
Пока количество СО2 не возросло выше рекомендуемой технологией хранения величины, например, 6%, воздух после теплообменника не направляют через скруббер. После нарастания содержания углекислого газа в среде хранения выше рекомендуемого среду хранения после КСКВ и теплообменника направляют в один из блоков скруббера для калибровки по составу углекислого газа. После скруббера среду хранения направляют в камеру хранения. Неизбежные при этом притоки в систему кислорода компенсируют сроком активизированного поглощения кислорода и повышенным отводом углекислого газа. После достижения (по результатам измерений) заданного уровня содержания кислорода в среде хранения переходят к исполнению режима поддержания состава газовой среды в заданных пределах от нормы.
Поскольку основное отклонение состава среды заключается в выработке хранимой продукцией дополнительного количества углекислого газа, корректировка среды выполняется скруббирующей частью установки поглощением излишней углекислоты.
Защита хранимой продукции от культивирования на ней микроорганизмов состоит в основном хранением продукции при температурах значительно более низких, чем ферментация микроорганизмов. Применение в предложенном способе окисления органических веществ, проводимого в процессе ферментации микроорганизмов путем клеточного ферментативного катализа питательной среды, повышает экологическую чистоту процесса, пожаровзрывобезопасность и снижает энергозатраты.
Кроме того, получаемый при ферментации продукт является ценным сырьем для дальнейшей переработки на продукцию, применяемую, в том числе и в сельском хозяйстве.
1. Способ поглощения кислорода из воздуха в процессе корректировки соотношений компонентов воздуха в среде камер хранения сельскохозяйственной продукции, включающий процессы непрерывного дыхания хранимой продукции и периодического дыхания микроорганизмов на дополнительном объеме питательной среды, отвод избытка углекислого газа из газовой смеси, циркулирующей по замкнутому контуру «камера - корректор соотношений компонентов воздуха - камера», и ее стерилизацию, отличающийся тем, что скорость поглощения кислорода в процессе аэробного окисления микроорганизмами дополнительно вводимых органических веществ, инокулированных микроорганизмами, выше скорости ферментативного окисления углеводов хранимой сельскохозяйственной продукции в процессе дыхания, а количество дополнительно вводимых в процесс органических веществ, инокулированных микроорганизмами, соответствует необходимому объему поглощения кислорода в объеме хранения в заданное время.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аэробное окисление дополнительно вводимых в процесс инокулированных органических веществ осуществляют в процессе ферментации уксусных бактерий на водных растворах спиртов или глюкозы до стадии органических кислот, причем углекислый газ поступает в среду хранения только в процессе дыхания хранимой продукции.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что ферментацию уксусных бактерий, осуществляющую окисление этилового спирта в процессе поглощения кислорода из среды хранения, заканчивают накоплением в растворе субстрата уксусной кислоты.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что накопившуюся в растворе субстрата уксусную кислоту используют в качестве субстрата для биотехнологии.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что полученную уксусную кислоту используют в качестве субстрата для производства микробного белка.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что полученную уксусную кислоту используют в качестве субстрата при производстве лизина.
