Фалик Тарас Сергійович Екологічні проблеми крафтових пиво­варень та способи їх вирішення

brief description

Фалик Тарас Сергійович, аспірант кафедри технології органічних продуктів Національного університету «Львів­ська політехніка»: «Екологічні проблеми крафтових пиво­варень та способи їх вирішення» (21.06.01 - екологічна безпека). Спецрада К 35.052.22 у Національному універси­теті «Львівська політехніка» МОН України

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
ФАЛИК ТАРАС СЕРГІЙОВИЧ
УДК 66.084+541.182; 628.1; 658.265
ДИСЕРТАЦІЯ
ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ КРАФТОВИХ ПИВОВАРЕНЬ
ТА СПОСОБИ ЇХ ВИРІШЕННЯ спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека, галузь знань 101 - екологія
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело ___________________________________Т.С.Фалик
(підпис, ініціали та прізвище здобувача)
Науковий керівник Шевчук Лілія Іванівна, доктор технічних наук, професор,
Львів – 2018

ЗМІСТ
стор.
ВСТУП……………………………………………………………………16
1.РОЗДІЛ 1.СУЧАСНИЙ СТАН ТА ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ
ПИВОВАРІННЯ В УКРАЇНІ (ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ)……………….21
1.1. Методи та способи покращення екологічного стану
харчових виробництв…………………………………………………… 21
1.2. Застосування кавітації для активації та дезактивації
дріжджових лізатів……………………………………………………. 25
1.3. Вплив параметрів процесу на ефективність окиснення органічних сполук у воді………………………………………… ………………………..27
1.3.1. Вплив температури………………………………………………..27
1.3.2. Вплив тиску………………………………………………………..27
1.3.3. Вплив УЗ на мікроорганізми у водному середовищі 27
1.4.Методи створення кавітаційних апаратів 30
1.5.Цілі та завдання досліджень 35
2. РОЗДІЛ 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБ’ЄКТУ ДОСЛІДЖЕНЬ.
МЕТОДИ ТА МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ 37
2.1. Вихідні речовини 37
2.2. Приготування поживних середовищ 39
2.3. Визначення концентрації органічних речовин (ХСК) 40
2.4. Визначення загальної кількості мікроорганізмів
(мікробне число МЧ) 41
2.5. Схема реактора 42
2.6. Схеми експериментальних установок 45
2.7. Висновки до 2 розділу 47
3. РОЗДІЛ 3 ОЦІНКА СТУПЕНЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ НЕБЕЗПЕКИ
ВІД ЗАБРУДНЕННЯ ДОВКІЛЛЯ В ЗОНІ ВПЛИВУ
КРАФТОВОГО ПИВОВАРІННЯ 48
3.1. Особливості негативного впливу стоків крафтового
пивоваріння на довкілля та можливі наслідки цього впливу 48
13
3.2. Ідентифікація джерел екологічної небезпеки в зоні
впливу крафтового пивоваріння 53
3.3. Аналіз динаміки розвитку крафтового виробництва
пива в Україні 54
3.4. Оцінка екологічної небезпеки в зоні впливу крафтового
пивоваріння та перспективні шляхи мінімізації цієї
екологічної небезпеки 56
3.5. Висновки і узагальнення до 3 розділу 58
4. РОЗДІЛ 4. ЗАКОНОМІРНОСТІ ТА ОСОБЛИВОСТІ
ОЧИЩЕННЯ СТОКІВ ПИВОВАРЕНЬ ВІД ОРГАНІЧНИХ
ТА БІОЛОГІЧНИХ ЗАБРУДНЕНЬ В УМОВАХ КАВІТАЦІЇ 60
4.1. Фільтрація висококонцентрованих стоків від дріжджів 60
4.2. Дослідження закономірностей кавітаційного очищення
дріжджових стоків 62
4.3. Дослідження впливу природи барботованого газу на процес
очищення промислових стічних вод. 63
4.4. Дослідження динаміки зміни вмісту органічних та
біологічних забруднень стічних вод «Пивоварні «Кумпель»
після кавітаційної обробки 73
4.5. Дослідження кінетики процесу очищення стічної води
«Пивоварні «Кумпель» 81
4.6. Висновки та узагальнення до 4 розділу 85
5. РОЗДІЛ 5. УСТАТКУВАННЯ ДЛЯ ЗНЕЗАРАЖЕННЯ
СТІЧНИХ ВОД ПИВОВАРІННЯ ТА ТЕХНОЛОГІЧНА
СХЕМА ПРОЦЕСУ 87
5.1. Опис конструкції вібраційного насоса-кавітатора 87
5.2. Визначення оптимальних режимів роботи кавітатора 94
5.3. Технологічна схема очищення дріжджових стоків пивоварні 96
5.4. Узагальнення та висновки до 5 розділу 97
14
РОЗДІЛ 6. ПОШУК ШЛЯХІВ РОЗШИРЕННЯ
РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ 99
6.1. Дослідження впливу природи газу на кавітаційне очищення
стічних вод спиртзаводу 99
6.2. Дослідження впливу температури на процес руйнування
домішок органічних сполук 110
6.3. Узагальнення та висновки до 6 розділу 120
ВИСНОВКИ 122
Список використаних джерел 124
ДОДАТКИ 139
15
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ
БСК
Біохімічне споживання кисню
ВКС
НКС
Висококонцентровані стоки дріжджів
Низькоконцентровані стоки дріжджів
УЗ
Ультразвук
УЗК
Ультразвукова кавітація
ПАР
Поверхнево активні речовини
МО
Мікроорганізми
СВ
Стічні води
КУО
Колонієутворюючі одиниці
ХПК
Хімічна потреба в кисні
ХСК
Хімічне споживання кисню
МЧ
Мікробне число
С
Концентрація
С0
Початкова концентрація
16
ВСТУП
Обгрунтування вибору теми дослідження. За останнє десятиліття на Україні набуло значного розширення будівництво малих (крафтових) пиво-варень, які практично побудовані в кожному обласному центрі чи малих містах. На різних стадіях виробництва пива утворюється велика кількість вторинних продуктів, до яких належать відходи солоду (дробина, післяспиртова барда) та стоки дріжджів (стічні води із підвищеним вмістом дріжджів)
Дробина може використовуватися як сировина для подальшого отримання корисних продуктів або корму для тварин, проте залишки дріжджів так і не знайшли жодного застосування.
Вміст протеїну та біологічно активних речовин надає барді кормової цінності, в зв'язку з чим одним з способів утилізації після спиртової барди у вітчизняній практиці є її реалізація в якості кормової добавки. Однак барда не підлягає тривалому зберіганню (через гнильні процеси), має місце також сезонність попиту на барду. Крім цього, перетравність сирого протеїну барди низька і становить близько 52%. Цей показник може бути збільшений до 85-89% збагаченням барди білком в результаті аеробного культивування на барді дріжджів роду Candida. При цьому різко зростає кормова цінність барди, з'являється можливість отримання повноцінної кормової білково-вітамінної добавки . Тому одним із першочергових завдань в галузі пивоваріння є розроб-ка технології утилізації вторинних матеріальних ресурсів, що утворюються в процесі виробництва, а також різноманітні методи очищення стоків від дріжджів. Існуючі технології біологічного очищення пов’язані із високими енергозатратами. Додаткові витрати також пов’язані з утилізацією утвореної надлишкової біомаси, яка спричиняє забивання фільтрів очисних установок.
Особливо актуальним є забезпечення екологічної безпеки пивоварного виробництва малих підприємств шляхом попередження забруднення стічних вод залишковими пивними дріжджами. Хоча доля малих (крафтових) пивоварень складає менше 3% в структурі українських виробників пива, саме вони в силу своїх технологічних можливостей стають найбільшими
17
забруднювачами гідросфери, оскільки будівництво очисних споруд для них фінансово ускладнене, а в більшості випадків технічно неможливе.
Зв’язок роботи із науковими програмами, планами, темами.
Тема дисертаційної роботи відповідає науковому напрямку досліджень кафедр загальної хімії та технології органічних продуктів Інституту хімії та хімічних технологій Національного університету “Львівська політехніка”: “Дослідження кінетики і механізму процесів окиснення і співполімеризації органічних речовин з метою одержання нових речовин для обробки металів, волокнистих матеріалів. Застосування енергії акустичної кавітації для інтенсифікації окиснювальних процесів” (№ держреєстрації 0110U004691) «Удосконалення технологій продуктів бродіння» (№ держ. реєстрації 0117U004474).
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є мінімізація рівня екологічної небезпеки крафтових пивоварних виробництв шляхом реалі-зації кавітаційного очищення стоків від дріжджів та органічних забруднень на основі дослідження закономірностей та особливостей процесу загибелі МО за умов спільної дії кавітації та газового середовища.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
 проаналізувати стан пивоварної галузі та провести оцінку ступеня екологічної небезпеки від забруднення довкілля в зоні впливу крафтового пивоваріння;
 розробити ефективний метод зменшення рівня дріжджових забруднень у стічних водах крафтових пивоварень;
 дослідити процес загибелі монокультур дріжджів (Sacharomуces) та органічних сполук при барботуванні газів за умов кавітації та встановити оптимальні умови обробки;
 розробити концептуальні засади застосування кавітації для створення технологічних процесів очищення стічних вод пивоваріння від органічних та біологічних забруднень;
 розробити енергоощадний пристрій для збурення кавітації та встановити оптимальні умови його роботи;
18
 дослідити можливості застосування отриманих результатів на інші об’єктихарчової галузі.
Об’єкт дослідження –стан екологічної безпеки в зоні впливу крафтового пивоваріння.
Предмет дослідження –– кавітаційні процеси очищення стічних вод краф--тового пивоваріння.
Методи досліджень включають в себе розроблені методики експери-ментальних досліджень, мікробіологічний аналіз кількісного (біологічне спожи-вання кисню (БСК) та якісного складу дріжджів, мікроскопування зразків культур дріжджів, фотозйомка, визначення рН, хімічний аналіз загального вмісту органічних забруднень(ХСК).
Наукова новизна одержаних результатів. З метою підвищення рівня екологічної безпеки в зоні впливу крафтового пивоваріння дисертантом отри--мані такі найбільш важливі наукові результати:
1. вперше проведена оцінка ступеня екологічної небезпеки від забруднення довкілля в зоні впливу крафтового пивоваріння, що дозволило обґрунтовано вибирати стратегію очищення стоків з ціллю мінімізації екологічної небезпеки гідросфери;
2. вперше експериментально визначено вплив аерації стоків крафтового пивоваріння повітрям та азотом на кількість клітин мікроорганізмів та концентрацію окиснювальних органічних речовин у водному середовищі, що дало змогу вибрати найефективніше газове середовище;
3. вперше встановлено, що для опису процесу окиснення органічних речовин та руйнування клітин дріжджів у стоках крафтового пивоваріння за їх невисокій концентрації під дією кавітації в присутності азоту можна застосувати рівняння реакції першого порядку, а у випадку високих концентрацій – рівняння реакції другого порядку, що є вихідними даними для проектування обладнання;
4. вперше показано, що зниження біологічного забруднення стічної води пивоваріння від дріжджів можна досягнути фільтруванням
19
висококонцентрованих дріжджових стоків через шар дробини - твердих відходів пивоваріння, що дає змогу знизити БСК на декілька порядків;
5. отримали подальший розвиток дослідження кавітаційного очищення стічних вод в кавітаційному полі.
Практичне значення одержаних результатів. Аналіз даних експери--ментальних досліджень дав змогу розробити та запропонувати для впро--вадження ефективну технологію очищення стічних вод крафтового пивоваріння в кавітаційному полі. Розроблена конструкція ефективного енергоощадного вібраційного електронасоса--кавітатора, захищеного патентом України на корис--ну модель. Запропонована технологія зниження екологічного навантаження на гідросферу стічних вод крафтових пивоварень, на яку отримано патент України на корисну модель. За результатами роботи продано 2 ліцензії на ТзОВ «Крафтове пиво» (с.Кваси Закарпатської обл.). Результати роботи апробовані на ТзОВ «Пивоварня «Кумпель». Наукові та практичні результати дисертаційної роботи використані у лекційних курсах та практичних роботах з дисципліни «Очищення стічних вод» Національного університету «Львівська політехніка» для студентів спеціальності 101 «Екологія».
Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто опрацьовано літературні джерела за темою дисертаційної роботи, проведено лабораторні та натурні експериментальні дослідження, систематизовано й узагальнено експериментальний матеріал, сформульовано науково обґрунтовані висновки, підготовлені патенти на корисну модель України. Постановка задач, розроблення методик дослідження процесів очищення стоків, обговорення поставлених задач проводились та виконувались під керівництвом д.т.н., проф. Лілії Шевчук, конструкція електронасоса--кавітатора продилась спільно з проф. Афтаназівим І.С.
Апробація результатів дисертації.
Основні положення дисертації представлялись, обговорювались та опубліковані в матеріалах міжнародних і вітчизняних конференцій та симпозіумів: ХІІ науковій конференції «Львівські хімічні читання» (м.Львів, 2007); V відкритій науковій конференції професорсько--викладацького складу
20
ІМФН (м.Львів, 2006); ІІ Всеукраїнської науково--практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених (м. Київ, 2007р.); ХІ науковій конференції Тернопільського державного технічного університету ім.Івана Пулюя (м.Тернопіль, 2007). 11th Meeting of the European Society of Sonochemistry (France, La Grande--Motte , 2008), ІІ Міжнародній конференції «Актуальні проблеми хімії і технології органічних речовин «APCTOS--2», (м.Львів, 2015).
Публікації.
Основний зміст роботи викладений у 14 наукових публікаціях, в тому числі 7 статей ( з них 2– у фахових виданнях України, 5 – статті, що включені до міжнародних наукометричних баз даних) , 2 патентах України на корисну модель та 7 тез доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 138 сторінках машинописного тексту, ілюстровано 55 рисунками, текст містить 6 таблиць, у бібліографії наведено 126 літературних джерел, дисертація містить 6 додатків.

bibliography

ВИСНОВКИ У дисертаційній роботі наведено результати літературних даних, які підт-верджують актуальність досліджень. Наведені та проаналізовані різні сучасні методи очищення промислових стоків, які поряд із позитивними сторонами характеризуються рядом недоліків. Викладені науково-технічні досягнення в області ка-вітаційного оищення СВ, а також вирішено наукове завдання щодо розроблення технології очищення стічних вод крафтових пивоварень, техніч-ним рішенням якого є створення способу фільтрації дріжджових стоків через шар дробини та розроблення вібраційного електронасоса-кавітатора для очи-щення СВ від органічних та біоло-гічних забруднень, що характеризується надійністю експлуатації, економічною доцільністю та простотою виконання. Проведено комплекс експериментальних дос-ліджень для процесу кавітацій-ного очищення дріжджових стоків та стоків спиртових виробництв, в результаті яких: 1. Проведена оцінка ступеня екологічної небезпеки від забруднення дов-кілля в зоні впливу крафтового пивоваріння, на основі якої встановлено, що перспективною є двохстадійна технологія очищення стоків: (1 стадія – фільтру-вання на дробині; 2 стадія – кавітаційна обробка). У випадку застосування різних способів створення кавітаційного поля досягається такий ступінь очи-щення стоків від дріжджів: для ультразвуку - 90%; для віброрезонансного впливу – 80%; для застосування насоса- кавітатора – 60%. 2. Показано, що фільтрація висококонцентрованих дріжджових стоків через шар дробини дозволяє знизити рівень біологічного забруднення майже у 200 разів, при цьому вміст органічного забруднення зменшується на 60%. 3. Експериментально підтверджено, що в атмосфері азоту при кавітацій-ному очищенні стічної води з різними вихідними параметрами досягнуто високого ступеня очищення (62-77%), порівняно із киснем (43-67%), суміші цих газів (39-63%) незалежно від початкової кількості органічних речовин та встановлено відносний ряд ефективності газів (азот, кисень, суміші азоту і кисню) в кавітаційних умовах на знезараження від дріжджів Saccharomyces cerevisiae та деструкції органічних сполук.
123
4 Встановлено, що спільна дія барботування газів у кавітаційному полі на 25-50% ефективніша порівняно із дією УЗ і на 19-23% ефективніша дії виключ-но газів , що свідчить про синергічний ефект одночасного застосування газу та УЗ для руйнування наявних у рідині органічних домішок: k(УЗ/газ) > k(УЗ) + k(газ) 5. Досліджено довготривалий вплив повітря на попередньо очищену в каві-таційних умовах стічну воду пивоварні та розраховано ступені руйнування органічних речовин – 87,09 % та ступені знезараження води – 88,23 % 6. Запропоновано спосіб кавітаційного очищення стоків пивоварень і для його реалізації розроблено вібраційний електронасос-кавітатор резонансної дії, основною перевагою якого є висока продуктивність, придатність для обробки значних обсягів рідин у неперервному їх потоці у поєднанні із довготривалим терміном роботи. 7. Проведена оптимізація роботи вібраційного електронасоса - кавітатора в за-лежності від частоти коливань дек-збурювачів кавітації з метою виявлення резонан-сних частот та мінімального енергоспоживання. 8. Показано, що технологію кавітаційного очищення стічних вод можна пошири-ти і на спиртову промисловість – в присутності азоту під дією кавітації досягається 90% ступінь руйнування органічних забруднень. 9. Запропоновано принципову технологічну схему очищення стічних вод крафтових пивоварень від хімічних та біологічних забруднень, що включає віброкавітаційну обробку стоків у вдосконаленій робочій камері, принциповою відмінністю якої є наявність не пласких дек із отворами, які можуть забиватись продуктами руйнування дріжджів, а зміщення кавітаційної зони реакції над деками, що дозволяє підвищити інтенсивність формованого кавітаційного поля та продуктивність обробки стоків. 10. Високу ефективність технології очищення стоків пивоварні підтер-джено продажем 2 ліцензій та впровадженням, проведеними на ТзОВ «Краф-тове пиво» (с.Кваси Закарпатської обл.), а також актом випробовувань на ТзОВ «Пивоварня «Кумпель».