Рождение вина: балансы. В.С.Разуваев, кандидат технических наук,

Рождение вина: балансы.
В.С.Разуваев, кандидат технических наук,
ЧП «Маркетинговая фирма РВС», г. Ялта
Тел. (0654)396380 E-mail: [email protected]
Переработка винограда сопровождается множеством микробиологических
процессов, представляющих собой сложные биохимические реакции разложения
органических соединений в результате роста и жизнедеятельности как искусственно
вносимых в благоприятную для развития среду культур микроорганизмов, так и
спонтанной микрофлоры.
К настоящему времени в практике нашли применение и проводятся направленно
процессы спиртового, яблочно-молочного, яблочно-спиртового брожения,
биологического азотопонижения, вторичного спиртового брожения, хересования,
мадеризации, обескислороживания, сравнительно реже - процессы благородного гниения,
в стадии разработки получение биомассы дрожжей, бактерий и грибов на отходах
переработки винограда. Одновременно ведется борьба с нежелательными процессами,
нередко вызываемыми теми же микроорганизмами.
Технологические расчеты проводятся на основе стехиометрических
коэффициентов баланса: основной субстрат - основной продукт. Участвующую в
процессе биомассу не учитывают даже там, где ее прирост играет решающее значение
(биологическое азотопонижение). Отсутствие необходимых сведений по кинетике
балансов микробиологических процессов и анабиозу этих процессов с позиций роста и
метаболизма их возбудителей существенно сдерживает совершенствование технологии
переработки винограда. Опыт смежных отраслей в данном вопросе малоприменим,
поскольку отдельные процессы в виноделии в виду своей сложности не имеют
аналогов. Ярким доказательством тому может служить сбраживание сусла на мезге, в
котором одновременно протекают тепловые, экстракционные, микробиологические,
гидродинамические и биотехнологические процессы.
Многообразие микробиологических и сопутствующих им процессов ведет к
необходимости создания единого алгоритма для расчетов процессов переработки
винограда.
Универсальная математическая модель микробиологических процессов
переработки винограда.
Среди технологических процессов переработки винограда наиболее сложным
является брожение. Сложность этого процесса заключается не только в биохимическом
механизме его протекания, но и в сопутствуюших ему массообменных процессах, связанных с наличием поверхности раздела твердой (выжимки, взвеси) и жидкой (сусло) Фаз.
Несмотря на существенные различия, протекающих при брожении сусла на мезге
процессов, видах участвующих микроорганизмов (винные дрожжи, молочнокислые
бактерии, дрожжи-кислотопонижатели), утилизируемом углеродном субстрате, а также
методах осуществления процессов представляется возможным дать в общем виде
математическую модель, отражающую основные материальные балансы участвующих
компонентов, кинетику роста и жизнедеятельности микроорганизмов-возбудителей.
Для построения математической модели рассмотрим наиболее сложный случай –
брожение сусла на мезге с участием винных дрожжей, дрожжей-кислотопонижателей рода
шизосахаромицес и молочнокислых бактерий (рис.1)
F 'g G ig1 N ig1 C ig1 X ig1 Y ig1 Z ig1 P ig1 B ig1 Q gX
F lg G ilg1 N ilg1 C ilg1 S ilg1 A ilg1 W ilg1 X ilg1 Y ilg1 Z ilg1 P ilg1 L ilg1
F lgr
RF T'
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
F T'
II
Ni Oi Si Ai Wi Xi Yi Zi Gi Pi Li Bi
(R-1)F T'


n2 = V  /V 
V  = RVT
VT
Qi
h

F 'lg -(R-1)F T'
F 'lg
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _2r_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Ni Oi Si Ai Wi Xi Yi Zi Gi Pi Li Bi
QX


V = Vlg


n1 = V /V
QX

Ч
Щ
F T G Ti1 N Ti1 C Ti1 S Ti1 A Ti1 W Ti1 X Ti1 Y Ti1 Z Ti1 P Ti1
F g G ig1 N ig1 C ig1 X ig1 Y ig1 Z ig1 P ig1
Рис.1 Схема материально – энергетических потоков i-го аппарата-ферментёра.
-
Условные обозначения к схеме основных потоков i-го аппарата-ферментёра и
универсальной математической модели микробиологических процессов переработки
винограда:
r
F lg , F T , F g , F lg - объёмные скорости
подачи
в
аппарат
жидкой, твёрдой и
газовой Фаз, а также рециркуляции, жидкой Ферментационной
среды соответственно, дм3/ч;
'
F 'lg , F T' , F g
- объёмные скорости отвода их аппарата жидкой, твёрдой и
газовой фаз соответственно, дм3/ч;
'
'
RF T , (R-1)F T ,
F 'lg -(R-1)F’Т
- объёмные скорости отвода из аппарата бродящей массы с
твёрдой фазой; бродящей массы, освобождённой от твёрдой
Фазы; и ферментационной среды из зоны, свободной от твёрдой
фазы соответственно, дм3/ч;


V = V + V

V
- текущий объём бродящей массы в аппарате, дм3;
- объём зоны бродящей массы, свободной от твёрдой фазы,дм3;

V
- объём зоны бродящей массы, в котором распределена твёрдая
Фаза (кажущийся объём твёрдой фазы), дм3;
VT
- истинный объём твёрдой фазы в аппарате, дм3;

R = V  /VT
- объёмный коэффициент распределения твёрдой фазы в
занимаемой ею зоне ферментационной среды;
(R-1)VT
- объём, занимаемый газожидкостной фазой в зоне
ферментационной среды с твёрдой фазой;
(R-1)/R
- доля объёма газожидкостной фазы в объёме ферментационной
среды с твёрдой фазой;

n1 = V  /V 

- доля объёма ферментационной среды, свободной от твёрдой
фазы;
n2 = V  /V 
- доля объёма ферментационной среды, в которой распределена
твёрдая фаза (n2 = 1 – n1);
n2(R-1)/R
- доля объёма газожидкостной фазы зоны ферментационной среды с
твёрдой фазой в общем объёме ферментационной среды;
D lg = F lg /V  ,
DT = FT/V  ,
- скорости разбавления бродящей массы жидкой, твёрдой и газовой
Фазами, а также рециркулируемой жидкой средой, ч-1;
D g = F g /V  ,
r
r
'
'
D lg = F lg /V 
D lg = F lg /V  ,
'
DT
'
=
'
FT
'
/V  ,
D g = F g /V 
- удельные скорости отвода из аппарата жидкой, твёрдой и
газовой фаз, ч-1;
Qi
- текущее количество теплоты в аппарате, кдж;
lg
T
g
lg
T
g
N i 1 ,N i 1 ,N i 1 ,
– массовые концентрации азота (N), кислорода (С), диоксида
C i 1 ,C i 1 ,C i 1 ,
углерода (G) и этанола (P) в подаваемых (i-1) в аппарат и
lg
T
g
G i 1 ,G i 1 ,G i 1 ,
отводимых (i+1)из него жидкой, твёрдой и газовой фазах
lg
T
g
P i 1 ,P i 1 ,P i 1
соответственно, г/дм3;
lg
T
S i 1 ,S i 1 ,
– массовые концентрации сахаров (глюкозы) (S),яблочной
lg
T
A i 1 ,A i 1 ,
кислоты(A), фенольных веществ (W) и молочной кислоты (L)в
lg
T
W i 1 ,W i 1 ,
lg
T
lg
T
подаваемых в аппарат жидкой и твёрдой фазах соответственно,
L i 1 ,L i 1
г/дм3;
g
X i 1 ,X i 1 ,X i 1
-массовые концентрации винных дрожжей (X),дрожжей –
lg
T
g
Y i 1 ,Y i 1 ,Y i 1
lg
T
I
II
кислотопонижателей (Y) и молочнокислых бактерий (Z) в
g
Z i 1 ,Z i 1 ,Z i 1
подаваемых (i-1) в аппарат и отводимых (i+1)из него жидкой,
твёрдой и газовой фазах соответственно, г/дм3;
I
II
N i ,NI i ,C i ,CI i ,–массовые концентрации азота (N), кислорода (С), диоксида
G i ,G i ,P i ,P i ,
I
II
I
II
углерода (G), этанола (P) сахаров (S),фенольных веществ (W),
I
Si
II
,S i
I
,W i
II
,W i
молочной кислоты (L) и яблочной кислоты (A)в зоне
I
Li
II
,L i
I
,A i
II
,A i
I
II
I
II
I
II
,
ферментационной среды свободной от твёрдой фазы (I)и в жидкой
фазе объёма среды, в котором распределена твёрдая фаза(II),то
есть в объёме (R-1)VT, г/дм3;
X i ,X i ,Y i ,Y i ,- массовые концентрации микроорганизмов в зоне ферментационной
Z i ,Z i
среды, свободной от твёрдой фазы (I) и в зоне с твёрдой фазой
(II), г/дм3;
N
C
S
P
A
G
W
L
K T ,K T ,K T ,K T ,- коэффициенты, отражающие массоперенос азота, кислорода,
K T ,K T ,K T ,K T
сахаров, этанола, яблочной кислоты, диоксида углерода,
фенольных веществ и молочной кислоты из единицы массы
твёрдой фазы в жидкую соответственно;
aX,aY,aZ,bX,bY, - коэффициенты расхода азота (a), сахаров (b) и кислорода (m) на
bZ,mX,mY,mZ
образование единицы биомассы винных дрожжей (x),дрожжей –
кислотопонижателей (y)и молочнокислых бактерий (z),
г соответствующего вещества/г соответствующей биомассы;
I
II
I
II
I
II
μ X ,μ X ,μ Y ,μ Y - удельные скорости роста винных дрожжей (X), дрожжейμ Z ,μ Z
I
II
кислотопонижателей (Y) и молочнокислых бактерий (Z) в зоне
ферментационной среды, свободной от твёрдой фазы (I) и в зоне
с твёрдой фазой (II),ч-1;
IS
q Xi ,q Xi ,q Yi , - удельные скорости сбраживания сахаров винными дрожжами и
q
IIS
Yi
дрожжами-кислотопонижателями в зоне ферментационной среды,
свободной от твёрдой фазы (I) и в зоне с твёрдой фазой (II),
г сахаров/г соответствующих дрожжей (25% С.В.)*ч;
IA
IIA
I
q Yi ,q Yi ,q Zi , -удельные скорости сбраживания яблочной кислоты дрожжамиII
q Zi
кислотопонижателями (Y) и молочнокислыми бактериями (Z) в зоне
ферментационной среды, свободной от твёрдой фазы (I) и в зоне с
твёрдой фазой (II),г яблочной кислоты/г соответствующих
микроорганизмов*ч;
φΧ,φΥ,φΖ
-коэффициенты выноса винных дрожжей, дрожжей кислотопонижателей и
молочнокислых бактерий из зоны, свободной от твёрдой фазы (I);
ψX,ψY,ψΖ
-доля винных дрожжей (X),дрожжей-кислотопонижателей (Y)и
молочнокислых бактерий(Z)адсорбированных твёрдой фазой в общем
количестве каждой из этих групп микроорганизмов в объёме среды,
занимаемом твёрдой фазой (VIIτ);
Sg
Sg
Sg
Sg
Sg
-коэффициенты выхода диоксида углерода из единицы массы сброженных
сахаров винными дрожжами и дрожжами-кислотопонижателями
соответственно,г диоксида углерода/г сахаров (глюкозы);
Ag
Ag
-коэффициенты выхода диоксида углерода из единицы массы сброженной
яблочной кислоты дрожжами кислотопонижателями и молочнокислыми
бактериями соответственно,г диоксида углерода/г яблочной кислоты;
Sp
Sp
-коэффициенты выхода этанола из единицы массы сброженных сахаров
винными дрожжами и дрожжами-кислотопонижателями соответственно,
г этанола/г сахаров (глюкозы);
K X ,K Y ,K Z
K eX ,K eY
K eY ,K lZ
K eX ,K eY
Ap
-коэффициент выхода этанола из единицы массы сброженной яблочной
кислоты дрожжами кислотопонижателями,
г этанола/г яблочной кислоты;
Pg
-коэффициент перехода этанола из жидкой фазы в газовую,
K eY
K
-коэффициенты выхода диоксида углерода при потреблении сахаров на
образование единицы биомассы винных дрожжей, дрожжейкислотопонижателей и молочнокислых бактерий соответственно,
г диоксида углерода/г соответствующей биомассы 25%С.В.;
г этанола в парах/г этанола в жидкости;
K
Bg
-коэффициент перехода воды в газовую фазу,г воды в парах/г воды в
ферментационной среде;
S
-коэффициент уменьшения (сжатия) объёма жидкой фазы при
«исчезновении» из ферментационной среды единицы массы сахаров
(глюкозы);
K cZ
Al
-коэффициент выхода молочной кислоты из единицы массы яблочной
кислоты при яблочно-молочном брожении,
г молочной кислоты/г яблочной кислоты;
dP,db,dA
-плотность этанола, воды и яблочной кислоты соответственно,г/см3;
KV
d lg ,d  ,d g -объёмная масса (плотность) жидкой твёрдой и газовой фаз
соответственно, г/см3;
C
dg
-объёмная масса (плотность)«осушенного» газа брожения, г/см3;
lg
lg
C i 1 ,C i 1 ,
T
T
C i 1 ,C i 1 ,
g
g
lg
lg
C i 1 ,C i 1
аппарат(а) жидкой, твёрдой и газовой фаз соответственно,
кдж/кг*ОС;
t i 1 ,t i 1 ,
T
T
t i 1 ,t i 1 ,
g
-удельные теплоёмкости подаваемых (-) [или отводимых (+)] в (из)
-температура подаваемых (-) [или отводимых (+)] в (из) аппарат(а)
жидкой твёрдой и газовой фаз соответственно, ОС;
g
t i 1 ,t i 1
ti,t i 1
-температура ферментационной среды и жидкой фазы, возвращаемой в
аппарат при рециркуляции,ОС;
CX,CY,CZ
-выход теплоты при образовании единицы биомассы винных дрожжей,
дрожжей-кислотопонижателей и молочнокислых бактерий соответственно
кдж/г биомассы 25%С.В.;
CSX,CSY
-выход теплоты при сбраживании единицы массы сахаров
(глюкозы)винными дрожжами и дрожжами-кислотопонижателями
соответственно,кдж/г сахаров (глюкозы);
λP,λB
-удельная теплота испарения этанола и воды, кдж/г;
Kt
-коэффициент теплопередачи, вт/м2*ОС;
Δτс
-средний температурный напор,ОС;
fX,fY,fZ
-коэффициенты адсорбции фенольных веществ единицей биомассы винных
дрожжей, дрожжей-кислотопонижателей и молочнокислых бактерий
соответственно, г фенольных веществ/г соответствующей биомасы;
Ni,Ci,Si, -массовые концентрации азота (N),кислорода (C),сахаров (S),яблочной
Ai,Wi,Xi, кислоты (A), фенольных веществ (W),винных дрожжей (X),дрожжейYi,Zi,Gi, кислотопонижателей (Y), молочнокислых бактерий (Z), диоксида
Pi,Li
углерода (P) и молочной кислоты в жидкой фазе ферментационной
среды, г/дм3:
R  1 II
Ni
R
R  1 II
I
Ai = n1A i +n2
Ai
R
R  1 II
I
Yi = n1Y i +n2
Yi
R
R  1 II
I
Pi = n1P i +n2
Pi
R
I
Ni = n1N i +n2
R  1 II
R  1 II
I
C i , Si = n1S i +n2
Si ,
R
R
R  1 II
R  1 II
I
I
, Wi = n1W i +n2
W i , Xi = n1X i +n2
Xi ,
R
R
R  1 II
R  1 II
I
I
, Zi = n1Z i +n2
Z i , Gi = n1G i +n2
Gi ,
R
R
R  1 II
I
, Li = n1L i +n2
Li ;
R
I
, Ci = n1C i +n2
r
-внутренний радиус аппарата,м;
h
-высота внутренней части аппарата,м;
Кз
-коэффициент заполнения аппарата;
g
P i ,B i
К
-массовые концентрации этанола и воды в газовой фазе
сответственно,г/дм3;
-коэффициент отражающий изменение объёма среды (контракцию) при
повышении в ней концентрации этанола;
τ
-время,ч.
Универсальная математическая модель микробиологических процессов переработки
винограда может быть представлена в виде системы дифференциальных уравнений
основных материальных балансов описываемых процессов. В целях придания модели
обобщающего характера рассмотрим материальные балансы процессов в i-м аппаратеферментёре.
Баланс по азоту.
Азот может поступать в аппарат в составе жидкой и твёрдой фаз, а также и с газовой
фазой, например, в виде аммиака (NH3). Основной движущей силой, способствующей
задержке азота в бродящей среде является разность его концентраций в твёрдой и жидкой,
газовой и жидкой фазах. Движение потоков фаз приводит к перемешиванию среды в
ферментёре в зоне, занимаемой твёрдой фазой и зоне, свободной от твёрдой фазы. В связи
с этим, определение количества азота, поглощённого (в большинстве случаев его
концентрация в поступающих в аппарат потоках выше, чем в жидкой фазе бродящей
массы)жидкой фазой существенно зависит от средневзвешенной концентрации азота в
жидкой среде аппарата:
N iI VI  N iII (V  VT )
(1)
VI  VII  VT
После подстановки соответствующих коэффициентов и преобразований получаем:
1
I
II
[Rn1N i + (R-1)n2N i ]
(2)
R  n2
С учётом (1) количество азота, поступившего в жидкую фазу определится как:
1
'
'
lg
I
II
I
T
I
[F lg N i 1 - F lg N i - F T (R-1)(N i - N i )]dτ + FT{N i 1 [n1RN i +
R  n2
- F 'g N ig1 )dτ
В бродящей массе часть азота используется микроорганизмами для построения
биомассы, что может быть описано следующим образом:
N
+ n2(R-1) N i ]}K T dτ + (F g N i 1
II
I
I
I
g
I
I
I
II
II
II
II
II
(3)
II
n1(aXX i μ Xi + aYY i μ Yi + aZZ i μ Zi )V  dτ + n2(aXX i μ Xi + aYY i μ Yi + aZZ i μ Zi )V  dτ
Обозначим мгновенное изменение количества азота в бродящей жидкой фазе как V  dNi
и составим уравнение материального баланса:
V  dNi = [F lg N i 1
lg
- F 'lg N iI - F T' (R-1)(N iII - N iI )]dτ + FT{N Ti1 N
+ n2(R-1) N i ]}K T dτ + (F g N i 1
II
I
I
g
II
II
1
I
[n1RN i +
R  n2
- F 'g N ig1 )dτ - n1(aXX iI μ IXi + aYY iI μ YiI +
II
II
II
II
+ aZZ i μ Zi )V  dτ + n2(aXX i μ Xi + aYY i μ Yi + aZZ i μ Zi )V  dτ
(4)
Аналогично, с учётом накопленных знаний о характере того или иного процесса
составляем материальные балансы по кислороду(С), сахарам (S), яблочной кислоте (A),
фенольным веществам (W), диоксиду углерода (G), этанолу (Р), винным дрожжам (Х),
дрожжам-кислотопонижателям (Y), молочнокислым бактериям (Z), молочной кислоте (L),
а также тепловой и объёмный (по изменению объёма среды) балансы.
Разделив обе части уравнений на V  dτ получаем искомую математическую модель
микробиологических процессов имеющих место при рождении вина:
1
N
lg
T
I
II
g
dNi/dτ = D lg N i 1 + DTK T {N i 1 [ n1RN i + n2(R-1) N i ]} + D g N i 1 R  n2
D 'lg N iI - D T' (R-1)(N iII - N iI ) - D 'g N ig1 - n1(aXX iI μ IXi + aYY iI μ YiI + aZZ iI μ ZiI ) –
II
II
II
II
II
II
- n2(aXX i μ Xi + aYY i μ Yi + aZZ i μ Zi )
dCi/dτ = D lg C i 1
lg
(5)
1
I
II
g
[n1RC i + n2(R-1)C i ]} + D g C i 1 R  n2
+ DTK TC {C Ti1 -
D 'lg C iI - D T' (R-1)(C iII - C iI ) - D 'g C ig1 - n1(mXX iI μ IXi + mYY iI μ YiI + mZZ iI μ ZiI ) –
II
II
II
II
II
II
- n2(mXX i μ Xi + mYY i μ Yi + mZZ i μ Zi )
dSi/dτ = D lg S i 1
lg
(6)
1
'
I
II
I
[n1RS i + n2(R-1)S i ]} - D lg S i R  n2
+ DTK TS {S Ti1 -
D T' (R-1)(S iII - S iI ) - n1(bXX iI μ IXi + bYY iI μ YiI + bZZ iI μ ZiI + X iI q IXi + Y iI q YiIS ) –
II
II
II
II
II
II
II
II
II
IIS
- n2(bXX i μ Xi + bYY i μ Yi + bZZ i μ Zi + X i q Xi + Y i q Yi )
dAi/dτ = D lg A i 1
lg
(7)
1
'
I
II
I
[n1RA i + n2(R-1)A i ]} - D lg A i R  n2
+ DTK TA {A Ti1 -
D T' (R-1)(A iII - A iI ) - n1(Y iI q YiIA + Z iI q ZiIA ) - n2(Y iII q YiIIA + Z iII q ZiIIA )
dWi/dτ = D lg W i 1
lg
-
+ DTK WT {W Ti1 -
(8)
1
'
I
II
I
[n1RW i + n2(R-1)W i ]} - D lg W i R  n2
D T' (R-1)(W iII - W iI ) - n1(fXX iI μ IXi + fYY iI μ YiI + fZZ iI μ ZiI ) –
II
II
II
II
II
II
- n2(fXX i μ Xi + fYY i μ Yi + fZZ i μ Zi )
dGi/dτ = D lg G i 1
lg
+ DTK TG {G Ti1 -
(9)
1
I
II
g
[n1RG i + n2(R-1)G i ]} + D g G i 1 R  n2
Sg
Sg
I
I
I
I
I
I
D 'lg G iI - D T' (R-1)(G iII - G iI ) - D 'g G ig1 + 2n1(K Sg
X X i μ Xi + K Y Y i μ Yi + K Z Z i μ Zi +
Sg
I
Sg
II
I
Sg
I
Sg
II
IS
K eX X i q Xi + K eY Y i q Yi
II
Ag
I
IA
Ag
+ K eY Y i q Yi
II
Sg
II
IIS
K Z Z i μ Zi + K eX X i q Xi + K eY Y i q Yi
dPi/dτ = D lg P i 1
lg
+ DTK TP {P Ti1 -
I
Ag
Sp
I
IS
Ap
lg
Ag
II
IIA
(10)
1
I
II
g
[n1RP i + n2(R-1)P i ]} + D g P i 1 R  n2
Sp
II
II
R  1 P Pg C
Sp
I
I
)P i K d g + n1(K eX X i q Xi +
R
Sp
II
IIS
Ap
II
lg
lg
(11)
+ DTX Ti1 + D g X ig1 - [D 'lg - D T' (R-1)]φΧX iI (12)
+ DTY Ti1 + D g Y ig1 - [D 'lg - D T' (R-1)]φΥΥ iI -
D T' [R+1+ ψY(2-R)]Υ iII - D 'g Υ ig1 + n1Υ iI μ YiI + n2Υ iII μ YiII
dΖi/dτ = D lg Ζ i 1
IIA
+ K eY Y i q Yi )
D T' [R+1+ ψX(2-R)]X iII - D 'g X ig1 + n1X iI μ IXi + n2X iII μ IIXi
dYi/dτ = D lg Y i 1
-
IA
IIA
+ K eY Y i q Yi ) + n2(K eX X i q Xi + K eY Y i q Yi
dXi/dτ = D lg X i 1
-
I
II
R  1 Sg II II
Sg
II
II
(K X X i μ Xi + K Y Y i μ Yi +
R
+ K eY Y i q Yi + K lZ Z i q Zi )
D 'lg P iI - D T' (R-1)(P iII - P iI ) - D 'g (n1+n2
+ K eY Y i q Yi
IA
+ K lZ Z i q Zi ) + 2n2
+ DTΖ Ti1 + D g Ζ ig1 - [D 'lg - D T' (R-1)]φΖX iI -
(13)
-
D T' [R+1+ ψΖ(2-R)]Ζ iII - D 'g Ζ ig1 + n1Ζ iI μ ZiI + n2Ζ iII μ ZiII
dQi/V  dτ = D lg d lg c i 1 (t i 1 -ti)
lg
II
lg
II
(14)
+ D g d g c ig1 (t ig1 -ti) + n1cZZ iI μ ZiI + n2cZZ iII μ ZiII +
I
I
I
IS
II
IIS
Bg
)D g d g - 10-3ΚfKtΔτс - D lg d lg ci(ti-ti+1)
+cSX(n1X i q Xi + n2X i q Xi ) + cSY(n1Y i q Yi + n2Y i q Yi ) – (n1+n2
+ λΒΒ i Κ
'
C
r
dV  /V  dτ = D lg + DT Sp
I
R 1
Pg
g
P
)(c i ti + λPP i K
+
R
I
(15)
D 'lg - D T' - K VS [n1(X iI q IXi +Y iI q YiIS )+n2(X iII q IIXi +Y iII q YiIIS )] +
Sp
I
IS
Sp
II
II
Sp
II
IIS
+ (1-K)[n1(K eX X i q Xi +K eY Y i q Yi )+n2(K eX X i q Xi + K eY Y i q Yi )]/103dP –
R 1
'
C
Pg
Bg
P
)(P i K /dP + Β i Κ /dB)10-3D g d g
R
Для последнего уравнения:
При D lg =0 и n2=0 P iP =P iI
- (n1+n2
(16)
Модель описывает все основные способы осуществления бродильных процессов:
непрерывное брожение, брожение с возвратом (задержкой) биомассы, доливное и
периодическое, а также ряд экстракционных и теплообменных процессов протекающих
и без участия микроорганизмов.
При необходимости ее можно дополнить уравнениями, отражающими балансы
по другим компонентам – фосфору, сере... В случае одновременного (или
последовательного) прохождения в среде большего количества микробиологических
процессов, например, продуцирования полигалактуроназы дрожжами вида Zigofabospora
marsiana, уксуснокислых бактерий, культивирования высших грибов, модель может
дополняться уравнениями, отражающими изменения концентрации субстратов и
возбудителей процессов.
Полное исследование достаточно сложной системы осуществить пока
невозможно, к тому же относительно невелика вероятность одновременного прохождения
более 3-х микробиологических процессов как спонтанно, так и направленно.
Универсальность модели позволяет рекомендовать ее для решения множества
частных случаев процессов брожения-культивирования микроорганизмов, например,
рассчитывать стационарные режимы непрерывных процессов (левые части уравнений
равны нулю). Это должно дать ощутимый практический результат, в первую очередь,
при анализе трудно поддающихся логической оценке процессов, связанных с потоками
нескольких фаз. Эффективность использования модели, очевидно, будет возрастать по
мере накопления знаний о поведении коэффициентов уравнений в зависимости от
условий протекания процессов и состава культуральных сред.
Коэффициенты модели.
Большинство из коэффициентов модели определяется довольно легко на основании
известных стехиометрических соотношений (для определения коэффициентов, связанных
с образованием биомассы нами были рассмотрены и проанализированы основные
стехиометрические соотношения процессов роста и метаболизма дрожжей и бактерий на
виноградном сусле), нормативных документов, справочной литературы и
экспериментальных данных о том или ином процессе (табл. 1 ).
Таблица 1.
Значения коэффициентов модели применительно к микробиологическим процессам
переработки винограда
№ Коэф Единица
Значени
Информация о процессе
Примечание
п/п фици измерения
е
ент
1
2
3
4
5
6
1.
R
5
Брожение мезги.
5,3
Брожение сусла на наполнителе из
ржаной соломы.
2.
n1
1
Брожение осветлённого сусла,
культивирование микроорганизмов
на жидких питательных средах.
0
Брожение на погружённых в сусло
(на дно резервуара) наполнителях
при уровне бродящего сусла
меньшем или равном уровню
верхнего слоя наполнителей.
0,5
Брожение мезги.
3.
n2
1 – n1 Брожение мезги.
4-6 φх,φy,
1
Брожение (культивирование
φz
микроорганизмов) с
перемешиванием без задержки
биомассы в ферментёре.
0
Брожение (культивирование
микроорганизмов) с полной
задержкой биомассы в ферментёре.
между Брожение (культивирование
Устанавлива
0и1
микроорганизмов) с частичным
ется
выносом биомассы из ферментёра.
эксперимент
ально.
7-9 ψx,
0
Брожение осветлённого сусла,
ψy, ψz
культивирование микроорганизмов
на жидких питательных средах.
между Брожение (культивирование
Устанавлива
0и1
микроорганизмов) в присутствии
ется
твёрдой фазы
эксперимент
ально.
10. fx
г фенольных не
Брожение (культивирование
Расчётная
веществ/г
менее
микроорганизмов)
величина
винных
0,0015
(по разнице
дрожжей
концентраци
11. fy
г фенольных -«-«-«---«---«---«----«--й
веществ/г
фенольных
дрожжейвеществ в
кислотопони
сусле и
жателей
виноматериа
12. fz
г фенольных
---«---«---«----«--ле, делённой
веществ/г
на 10г)
бактерий
13. к VS
дм3/г
0,00062 Брожение (культивирование
14. dP
db
15.
d lg
16.
глюкозы
г/см3
г/см3
г/см3
3
0,789
1,000
г/дм3
1,90
микроорганизмов)
---«---«---«----«-----«---«---«----«-----«---«---«----«---
C
17.
dg
dCO2
Сухой газ брожения
(культивирования)
dCO2
18. C lg
i 1
19.
T
20. C i 1
г/дм
кдж/кг*оС
кдж/кг*оС
1,97
4,18
0,33
Диоксид углерода
Виноградное сусло
Выжимка (твёрдая часть мезги)
g
21. С i 1
кдж/кг*оС
0, 00102
Сухой газ брожения
(культивирования)
г азота/г
биомассы
г глюкозы/г
биомассы
кдж/г
биомассы
г кислорода/г
биомассы
г СО2/г
яблочной
кислоты
--«---«---«-г этанола/г
яблочной
кислоты
г молочной
кислоты/г
яблочной
кислоты
-
0,023
Рост микрорганизмов на
виноградном сусле (глюкозе)
--«---«---«---«---«---
aX,aY
22. aZ
23.
bX,bY,
bZ
C ,CY
24. CXZ
mX,mY
25. mZ
Ag
26. K eY
Ag
27. K lZ
Ap
28.
K eY
Al
29.
K cZ
W
30.
KT
31. К
32.
Kt
Литература:
Определяетс
я
эксперимент
ально
Принята
близкой к
3
-
0,473
4,36
0,28
0,657
--«---«---«---«---«--Брожение виноградного сусла
(мезги)
--«---«---«--
Расчётная
величина
Принята
близкой к
теплоёмкост
и СО2
Расчётная
величина
--«---«---«---«---«---«---«---«---«---«---«---«--
0,328
--«---«---«--
--«---«---«--
0,343
--«---«---«--
--«---«---«--
0,672
--«---«---«--
--«---«---«--
0,36
0,08
кдж/м2чоС
40
--«---«---«--
112,9
Брожение мезги (Ркацители,
Рислинг)при температуре 24-26оС и
спиртуозности 6-7 %об.
Все спиртосодержащие среды
Брожение в металлических
резервуарах при скорости ветра
1,5м/сек
Брожение с охлаждением сусла в
теплообменнике (конденсатор
воздушного охлаждения)
Определено
эксперимент
ально
Справочные
данные
--«---«---«--
--«---«---«--
1. Разуваев В.С., Прида И.А. Оптимизация процесса непрерывного брожения
виноградного сусла на мезге при приготовлении крепких виноматериалов. Научнотехнический реферативный сборник. Винодельческая промышленность.
ЦНИИТЭИПищепром, М, 5, 1982, стр. 16-21.
2. Razouvaev V.S., Valouiko G.G., Kozlovsski Y.V., Prida I.A. Modele mathemattique du
processus de fermentation alcoolique du mout de raisin (de la vendange). Office
international de la vigne et du vin, 1983, D.G.108/(1160/83).
3. Razouvaev V.S. Intensification du processus de fermentation alcoolique de mout de
raisin. Traitement industriel du raisin – reussites pratiques et scientifiques dans
production de vins, brandies, vermouths, aperitifs et vins mousseux naturiels (Rapports
de la III-ème conference nationale scientifique et technique avec une participation
internationale), Vinprom, Pomorie (Bulgarie),1984, p. 103-109.
4. Разуваев В.С. Биоинженерия виноделия. Брошюра, ЦНИИТЭИПищепром, М, 8,
1985, 25 с.