Сушарки в біотехнологічної промисловості

Видалення вологи з напівпродуктів мікробного синтезу є однією з кінцевих операцій у виробництві. Сушка є вельми енергоємний, складний, взаємообумовлених комплекс хімічних, теплових і дифузійних процесів. У промисловій мікробіології мають справу з живими мікроорганізмами, а в ряді випадків для товарного продукту потрібно збереження не тільки якості, але і життєздатності препаратів. Головним при цьому є форма зв`язку вологи з матеріалом, яка для продуктів мікробіологічного синтезу мало досліджена.

Продукти мікробіологічного синтезу стосовно процесу сушіння можуть бути класифіковані на два великі класи: продукти, які при зневодненні вимагають збереження життєдіяльності мікроорганізмів або високої активності препаратів (антибіотики, засоби захисту рослин, ферменти) - продукти, які після висушування вимагають збереження високої поживної цінності (кормові дріжджі, харчової білок і ін.).

Згідно, продукти мікробіологічного синтезу (з позиції реалізації процесу сушіння) розділені на дві категорії: вегетативні бактеріальні культури (бактерії, дріжджі, гриби, віруси тощо.) - Споро-утворюють мікроорганізми (спори бактерій, білки, ферменти, амінокислоти, антибіотики і т.п.).

Для першої категорії характерна висока швидкість загибелі мікроорганізмів в результаті теплової інактивації в порівняно вузькому температурному діапазоні (40-60) ° С незалежно від виду культури. Матеріали, віднесені до другої категорії, мають значно більш високою термостійкістю і меншою швидкістю інактивації.

Як встановлено, для вегетативних бактеріальних клітин, ферментів, вірусів і т.п. основним лімітуючим механізмом термоінактивації є термоденатурація клітинного білка, в другому випадку можна припустити порушення цілісності структури суперечки або макромолекули речовини. Аналогічно впливу температури проявляється і вплив залишкового вмісту вологи на життєздатність (збереження) якісних показників об`єктів сушіння різної природи. Для матеріалів першої категорії критичне вологовміст становить 50-70%, причому більшою стійкістю володіють дріжджові культури і культури бактерій, вирощені на твердих субстратах.

Висока життєздатність спор Вас. thuringiensis зберігається при влагосодержании препарату, що дорівнює приблизно 11%.

Високою стійкістю відрізняються антибіотики і амінокислоти. Матеріали, віднесені до другої категорії, при низькому залишковому влагосодержании зберігають технологічні показники тривалий час, тоді як вегетативні бактеріальні форми схильні до зниження життєздатності в часі в залежності від вмісту вологи. До другої категорії можна віднести також білкові і ферментні препарати, які мають поруч із високою термочутливість достатню стійкість - кінцева вологість близько 5-6% практично не знижує їх ферментативної активності.

Суворе обгрунтування вибору методу і режиму сушки з урахуванням отримання бажаної якості кінцевого продукту може бути вироблено лише при ретельному аналізі таких теплотехнічних параметрів процесу сушіння, як тривалість і швидкість нагріву і охолодження, швидкість видалення вологи, реологічні та гігроскопічні властивості матеріалу.

При рекомендації будь-якого методу сушки необхідно задати температурний режим процесу. З позицій інтенсифікації тепломасопереносу, природно, слід орієнтуватися на максимальний тепловий потенціал, який визначається, в свою чергу, гранично допустимої для термоустойчивости матеріалу температурою гріючого середовища.

Продуктивність сушарки по висушеному матеріалу і кількість вологи, що видаляється при сушінні визначають з рівнянь матеріального балансу.

Чіткої характеристики для класифікації сушильних установок продуктів мікробіологічної промисловості не існує. Сушарки, що застосовуються в мікробіологічної промисловості, можна характеризувати за способом подачі продукту і теплоносія в сушильні камери, а також по гідродинамічним умовами їх роботи. Найбільше застосування при зневодненні продуктів біосинтезу знайшли конвективні сушарки (вальцьові, стрічкові, барабанні, розпилювальні, в киплячому шарі і т.п.), рідше використовуються контактівние сушарки.

Вальцьові сушарки (рис. 7.35) найбільш часто використовуються для сушки кормових дріжджів з вмістом сухих речовин до 20-25%. Процес сушіння проводиться при суворому контролі температурного режиму, щоб уникнути денатурації білків. На вальцьових сушарках межа температури теплоносія становить 70-80 ° С. У барабан, який закритий з торців кришками, подається пар.

У торців барабанів зверху встановлюються клини, що утворюють між барабанами ванну, в яку безперервно надходить концентрат біомаси. При обертанні барабана клітинна біомаса змочує їх поверхню тонким шаром, який висушується до вологості 8-10%. Суха біомаса знімається з поверхні барабана ножами і обсипається в поздовжні шнеки, звідки подається на фасовку.

Сушку кормових концентратів, що містять амінокислоти, такі, як лізин, гістидин, аргінін, триптофан, до вологості 8-10% здійснюють на стрічкових, розпилювальних і в киплячому шарі сушарках. Схема стрічкової сушарки представлена на рис. 7.35, б. Пастоподібна біомаса попередньо змішується з наповнювачем, а потім формується у вигляді брикетів, які подаються на транспортер стрічкової сушарки. Після сушіння матеріал розмелюють на молоткової дробарці. Застосування стрічкових сушарок доцільно і тому випадку, коли вологий матеріал заздалегідь відформований і сушка в такому вигляді є єдино прийнятною.


Розпилювальні сушарки. Спосіб сушіння розпиленням має низку переваг у порівнянні з іншими методами сушіння. Процес сушки протікає надзвичайно швидко (15-30 с), частки в зоні підвищеної температури мають насичену поверхню, температура якої близька до температури адиабатного випаровування чистої рідини.

Завдяки миттєвої сушці і невисокій температурі розпорошених частинок матеріалу висушений продукт виходить хорошої якості. Наприклад, не відбувається денатурації білків, окислення, втрат вітамінів і т.д. Цей метод часто застосовується для сушіння харчових продуктів, органічних солей і барвників, біологічних і фармацевтичних препаратів та інших термочутливих матеріалів.

За якісним властивостям продукт, висушений в розпилювальних сушарках в нагрітому повітрі або інертному газі (азот, вуглекислий газ), можна порівняти тільки з продуктом, висушеним при глибокому вакуумі. При сушінні розпиленням легко регулювати і змінювати в потрібному напрямку якісні показники готового продукту в залежності від умов сушіння. Наприклад, можна регулювати і змінювати в певних межах об`ємна вага сухого порошку, величину частинок, кінцеву вологість і температуру. В результаті сушіння виходить готовий продукт, який не вимагає зазвичай подальшого подрібнення і має підвищену розчинність.

При застосуванні сушки розпиленням часто може бути значно скорочений і повністю механізований технологічний цикл отримання сухого продукту. У цьому випадку можуть бути виключені такі процеси, як фільтрація, центрифугування, розмелювання.

У розпилювальних сушарках можна досягти високої продуктивності по висушують матеріалу, при цьому не потрібно великої кількості обслуговуючого персоналу. Висушуваний матеріал в процесі сушіння не стикається з поверхнями сушарки до тих пір, поки він не висохне. Це спрощує вирішення проблеми корозії і вибору матеріалу для сушильної камери.

При інших способах сушіння вологий продукт стикається з металевими поверхнями. У розпилювальних сушарках можна здійснити сушку в широких температурних межах (60-1 200) ° С. При сушінні розпиленням легко здійснити отримання висушеного продукту, що складається з різних сухих компонентів в певних співвідношеннях, наприклад при додаванні необхідної кількості інших матеріалів до сушіння в основний матеріал.

Метод сушки розпиленням має і недоліки: великі питомі габарити сушильної установки при сушінні з початковою температурою повітря (100-1 50) ° С порівняно дороге і складне обладнання для розпилення і виділення висушеного продукту з відпрацьованих газів.

Найбільш продуктивними є розпилювальні сушарки, що застосовуються для сушіння кормових дріжджів. На рис. 7.36 представлена схема розпилювальної сушарки з відцентровим розпиленням. Дріжджова суспензія безперервно подається під невеликим тиском в розпилювальний механізм до обертовим дискам. За рахунок відцентрової сили, що виникає при обертанні диска, розчин у вигляді плівки переміщається з безперервно зростаючою швидкістю до периферії диска і скидається у вигляді цівок, що розпадаються на дрібні краплі розміром (6-70) мкм.

Сушильний агент (нагріте повітря або димові гази, розбавлені повітрям) подається в сушильну камеру по газопроводу. За допомогою направляючого апарату створюється велика швидкість руху теплоносія на вході в сушильну камеру і одночасно повідомляється спиралеобразное напрямок.


Початкова температура сушильного агента при сушінні кормових дріжджів досягає (300-350) ° С.
Розпорошена дріжджова суспензія, вступаючи в контакт з теплоносієм, висушується. Випаровування води з дріжджової суспензії при високому ступені розпилення протікає практично миттєво, завдяки чому сушильний агент швидко охолоджується, і температура його на виході з сушарки не перевищує 90 ° С.

Висушені дріжджі теж прогріваються вище цієї температури. Сухі кормові дріжджі у вигляді порошку надходять в нижню конусну частину сушарки, звідки безперервно видаляються. Відпрацьований теплоносій відводиться з сушильної камери через газовідвід. Частина дріжджів (15-20%) несеться разом з теплоносієм, і для їх уловлювання встановлюються циклони.

Сухі дріжджі з-під конуса сушарки і з циклонів подаються пневмотранспортом на фасовку і упаковку. Сушарки типу СРФ оснащені пневматичними або механічними форсунками. Застосування тієї чи іншої конструкції форсунки залежить від властивостей вихідного продукту, умов сушки і вимог до готового продукту. Сушарки з механічними форсунками рекомендуються для розпилення і сушки тонких емульсій, істинних і колоїдних розчинів, тонкодисперсних суспензій.

Барабанні сушарки (рис. 7.37), що працюють при атмосферному тиску застосовують для сушіння ферментних препаратів, органічних кислот та інших продуктів мікробіологічного синтезу. У порівнянні з сушильними установками інших типів, в сушарках барабанного типу втрати ферментативної активності не перевищують (10-5%).


Найчастіше сушка ведеться підігрітим повітрям при прямоточном або протівоточном русі теплоносія і продукту. Повітря, що подається в барабан, для сушки ретельно очищається. Зазвичай для цього застосовують двоступеневу фільтрацію, використовуються фільтри грубої і бактеріальної очищення.

Сушарка складається з полого обертового циліндричного корпусу 1, встановленого на роликових опорах 6 з кутом нахилу (0,5-0,6) ° в бік вивантаження продукту. Висушуваний матеріал подається в бункер 2 і за допомогою гвинтової вставки надходить в порожнину корпусу, де проходить через ряд насадок, інтенсивно перемішується і контактує з теплоносієм, що і забезпечує процес сушіння.

Сушка в псевдозрідженому шарі широко використовується при обробці ксеролабільних матеріалів, так як легко забезпечується регулювання кінцевої вологості матеріалу. Основними перевагами зазначеної сушки є: висока інтенсивність процесів переноса- запобігання локального перегріву частинок-порівняно просте конструктивне виконання (рис. 7.38, а), можливість гранулювання матеріалу (антибіотики, амінокислоти) безпосередньо в процесі сушіння.

Найбільш істотним протипоказанням застосування методу псевдозрідженим шаром є механічне порушення цілісності частинок (стирання, злипання). У трубчастих сушарках (рис. 7.38, б) використовується принцип пневмотранспорта твердих частинок (гранул) в трубі 3, при цьому здійснюється видалення зовнішньої вологи з поверхні матеріалу, що висушується продукту.


Сублімаційні сушарки. Сублімація (лиофилизация) - це перехід твердої речовини при нагріванні в газоподібний стан, минаючи стадію рідини. На виході з сушарки відпрацьований теплоносій надходить в циклон 5, а суху речовину стікає в розвантажувальний пристрій 3. При діаметрі корпусу сушарки 1,2 м і його довжині 4,2 м продуктивність сушарки по культурі гриба досягає 1,5 т / добу.

Сублімації сушіння продуктів мікробіологічного синтезу являє собою окремий випадок вакуумної дистиляції льоду методом випаровування із замороженого продукту. Проведення сублімації сушіння під вакуумом дає можливість значно знизити температуру процесу і тим самим зберегти клітинні структури в життєздатному стані. Сублімації сушіння найбільш придатна для живих мікроорганізмів, деяких видів ферментів і інших термолабільних продуктів. В цьому випадку найменше инактивируются ферменти, добре зберігається життєздатність клітин.

Переваги даної сушки: волога видаляється при низьких температурах, що практично виключає термоінактивації продукту- зберігається стабільна структура матеріалу (не відбувається руйнування або конгломерації частинок) - практично виключається видалення летючих компонентів, що висушується, порушення його хімічного складу-полегшується можливість отримання сухого продукту в фасованому і стерильному вигляді.

Сублімації сушіння біологічних продуктів складається з стадій заморожування, сублімації, десорбції (досушування). Від швидкості заморожування і кінцевої температури продукту залежить процес сублімації.

Сублімаційного сушіння піддають концентрат суспензії мікроорганізмів, отриманий з культуральної рідини одним з механічних способів зневоднення (фільтруванням, центрифугуванням). У концентровану суспензію мікроорганізмів додають в певній кількості так звану захисну середу, яка оберігає клітини від загибелі при заморожуванні і наступному висушуванні.

Як захисні середовищ використовують колоїдні і гідрофільні речовини (білки, амінокислоти, вуглеводи та ін.), Які уповільнюють внутрішньоклітинний утворення льоду, зменшують концентрування електролітів і захищають клітини від глибокого незворотного зневоднення. Заморожування біомаси призводить до фізичних, біофізичними та біохімічних змін в клітці.

В результаті кристаллообразования при заморожуванні відбувається пошкодження і руйнування клітинних мембран і інших структур клітини. Ці ушкодження можуть бути викликані трьома основними причинами: механічним впливом на клітини кристалів льда- підвищенням концентрації електролітів, що викликає денатурацію мембран- зниженням різниці концентрацій речовин всередині і зовні клітини.

Щоб уникнути денатурації білка в процесі заморожування підбирають оптимальні умови кристалізації води.

Велике значення має швидкість заморожування. При повільному заморожуванні утворюються крупні кристали льоду, які мають меншу поверхню випаровування, ніж дрібні кристали, які утворюються при швидкому заморожуванні.

Існує кілька способів заморожування біомаси: контактне заморожування на охолоджуваних полках- конвективное заморожування охолодженим газом- комбіноване заморожування. Сублімації сушильна установка (рис. 7.39) складається з сушильної камери, конденсатора-десублиматори і вакуум-насосної системи.


Конструктивне оформлення окремих елементів схеми зумовлено специфікою субліміруемого матеріалу і прагненням організувати безперервний і високоинтенсивний процес сушіння. У промислових сублімаційних установках підведення енергії здійснюється в основному за рахунок теплопровідності, Інфокрасние випромінювання, струмами високої частоти.

Застосування сублімації сушіння з використанням комбінованого енергоподвода (ІК - випромінювання, енергії ультразвуку і примусового потоку газу) дозволяє знизити питомі витрати енергії і збільшити здатність до відновлення бактерій з сухого концентрату. Найбільш ефективна сушка сублімації в поле ультразвуку і атмосфері інертного газу. До того ж значно скорочується питома витрата енергії по испаряемой вологи в порівнянні з контактною сублімації сушінням.

Н.А. Воїнів, Т.Г. Волова