 |
Барботажного ферментатора (4 часа)
|
|
|
|
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Бийский технологический институт (филиал)
И.Н. Павлов
ОБОРУДОВАНИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Методические рекомендации
к лабораторным работам по курсу «Машины и аппараты спиртовых
и бродильных производств» для студентов специальностей 240706 «Машины и аппараты пищевых производств», 260601
«Автоматизированные производства химических предприятий», 240901 «Биотехнология», 260600 «Пищевая инженерия»,
260204 «Технология бродильных производств и виноделие»
дневной формы обучения
Бийск
УДК 663.2/663.5:66.0
Павлов, И.Н. Оборудование биохимических процессов: методические рекомендации к лабораторным работам для студентов специальностей 240706 «Машины и аппараты пищевых производств», 260601 «Автоматизированные производства химических предприятий», 240901 «Биотехнология», 260600 «Пищевая инженерия», 260204 «Технология бродильных производств и виноделие» всех форм обучения / И.Н. Павлов.
Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск:
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 55 с.
Методические рекомендации содержат сведения о технологическом оборудовании биохимических процессов бродильных производств. Изложены описания типовых конструкций аппаратов глубинного культивирования биохимических процессов, рассмотрены конструкции газораспределительных и перемешивающих устройств.
Приведены методики расчетов затрат энергии на аэрирование и перемешивание среды. Методические рекомендации предназначены для студентов всех форм обучения специальностей «Машины и аппараты пищевых производств» (240706), «Автоматизированные производства химических предприятий» (260601), «Биотехнология» (240901), «Пищевая инженерия» (260600), «Технология бродильных производств
и виноделие» (260204).
|
|
|
Рассмотрены и одобрены
на заседании кафедры
«Машины и аппараты
пищевых производств».
Протокол № 2 от 23.11.2006 г.
Рецензент: к.т.н., с.н.с. Василишин М.С., ФГУП «ФНПЦ «Алтай»
© БТИ АлтГТУ, 2007
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ БАРБОТАЖНОГО ФЕРМЕНТАТОРА.. 7
1.1 Теоретические сведения. 7
1.2 Оборудование, приборы, инструменты, материалы.. 16
1.3 Цель работы.. 16
1.4 Описание установки. 16
1.5 Методика проведения работы.. 18
1.6 Обработка опытных данных и составление отчета. 19
1.7 Контрольные вопросы.. 21
Лабораторная работа № 2
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ФЕРМЕНТАТОРА
С КОМБИНИРОВАННЫМ ПОДВОДОМ ЭНЕРГИИ.. 23
2.1 Теоретические сведения. 23
2.2 Оборудование, приборы, инструменты, материалы.. 36
2.3 Цель работы.. 36
2.4 Описание установки. 37
2.5 Методика проведения работы.. 38
2.6 Обработка опытных данных и составление отчета. 40
2.7 Контрольные вопросы.. 44
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Справочные данные для выполнения лабораторных работ………………………………………………………46
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Тарировочные графики к лабораторным работам……………………………………………….……………………50
Литература. 54
ВВЕДЕНИЕ
Микробиологическая промышленность, изучающая строение, физиологию и биохимию микроорганизмов с целью управления их жизнедеятельностью, нацелена на индустриальное производство ценных кормовых продуктов, антибиотиков, аминокислот, витаминов и других биологически активных веществ.
В частности, микробиологическая промышленность вырабатывает следующие виды продукции:
- белки (дрожжи, белковые препараты, аминокислоты);
- физиологически активные вещества (антибиотики, витамины, ферменты, гормоны);
|
|
|
- органические кислоты (лимонную, молочную, итаконовую, уксусную);
- бактериальные препараты для борьбы с вредителями сельского хозяйства, а также для интенсификации земледелия (энтобактерин, боверин, нитрагин).
Выпуск перечисленных видов продукции с помощью микробиологического синтеза более выгоден, нежели их производство химическим путем. Следует отметить, что некоторые из этих продуктов (бактериальные, ферментные препараты и др.) можно получать только микробиологическим путем.
К биохимическим относят процессы направленной жизнедеятельности микроорганизмов, скорость которых определяется приростом биомассы либо продуктов их метаболизма. Биохимические процессы связаны с воздействием на перерабатываемые продукты ферментов или биологических препаратов и с изменением вследствие этого химического состава продуктов. К этим процессам относят ферментативные преобразования (ферментацию), пастеризацию, стерилизацию, дезинфекцию и др.
Осуществляются биохимические процессы с помощью живых микроорганизмов. Они потребляют из окружающей среды – субстраты, питательные вещества: сахарозу, глюкозу, лактозу и другие углеводы. Микроорганизмы дышат, растут, размножаются, выделяют газообразные и жидкие продукты метаболизма, реализуя тем самым накопление биомассы или продуктов метаболизма. В ходе процесса накапливаются биомасса и продукты метаболизма. Так, при производстве дрожжей, белково-витаминных концентратов целевым продуктом является биомасса, а в других случаях, например, при производстве антибиотиков, ферментов – продукты метаболизма, синтезируемые клетками микроорганизмов и др. При этом продукт жизнедеятельности микроорганизмов
может накапливаться в самой клетке либо выделяться в культуральную жидкость.
Отрасли промышленности, использующие микроорганизмы, можно разделить на две большие группы. К первой следует отнести некоторые пищевые производства, занятые переработкой сельскохозяйственного сырья, например льна, и бродильные (пивоварение, виноделие). Для этих производств (кроме бродильных) не характерно культивирование больших масс микроорганизмов или накопление
и извлечение полезных продуктов их метаболизма. Применение микроорганизмов здесь ограничивается какой-либо одной стадией технологического процесса.
|
|
|
Вторая группа производств – собственно микробиологическая промышленность, к которой относятся производства, где основной стадией технологии является культивирование (выращивание) микроорганизмов или накопление полезных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.
В пищевой промышленности микроорганизмы используются
в бродильных производствах – пивоварении, виноделии, в производстве пищевого спирта, лимонной, молочной и уксусной кислот, дрожжей, а также при переработке сельскохозяйственного сырья. Производство дрожжей связано с получением больших количеств биомассы микроорганизмов. Для получения дрожжей, а также ряда органических кислот используют метод глубинной (суспензионной) ферментации микроорганизмов в кислой среде.
Таким образом, основой любого микробиологического производства, определяющей его технико-экономические показатели, является стадия биохимического превращения – ферментации, осуществляемая в различных по конструкции и принципу действия аппаратах, называемых ферментаторами.
В микробиологической, пищевой и медицинской промышленности имеется большое количество различных ферментаторов, предназначенных для аэробного выращивания биомассы и получения ее метаболитов. Известны различные конструкции промышленных ферментаторов, отличающиеся объемом, производительностью, массообменными характеристиками и другими особенностями. Эти отличия часто связаны с тем, что при конструировании ферментаторов учитывается ряд факторов, к которым относятся, например, специфические свойства субстратов, морфологические и физиологические особенности культивируемых микроорганизмов, способы культивирования (в асептических условиях или без соблюдения асептики, в периодических или непрерывных условиях), физико-химические свойства ферментационных сред.
Известны классификации ферментаторов, которые группируются по конструктивным признакам, способам подвода энергии, перемешивания (пневматическое и механическое), аэрации и др.
|
|
|
Значительная часть ферментаторов подразделяется на три группы по способу подвода энергии. К первой группе относятся ферментаторы с подводом энергии в газовую фазу: барботажные, барботажно-эрлифтные, форсуночные. Во вторую группу включены ферментаторы с подводом энергии в жидкую фазу: эжекционные, с самовсасывающей турбинной мешалкой, с внешним циркуляционным контуром. Третья группа состоит из ферментаторов с комбинированным подводом энергии – барботажных с механическим перемешиванием.
Основным параметром, характеризующим эффективность аэробных процессов, является поверхность контакта газа с жидкостью, поэтому способ ее формирования также положен в основу классификации ферментаторов. В эрлифтных ферментаторах поверхность контакта фаз образуется при введении газа через газораспределительные устройства в слой циркулирующей жидкости. В ферментаторах с механическим диспергированием газа вводимый в аппарат газ перемешивается с жидкостью специальными устройствами. В струйных ферментаторах газ эжектируется струями жидкости, распределяемой по сечению аппарата системой насадок.
Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ
БАРБОТАЖНОГО ФЕРМЕНТАТОРА (4 часа)
Теоретические сведения
Конечные продукты микробиологической технологии можно условно разделить на две большие группы: биомасса (дрожжи, бактерии) и синтезируемые микроорганизмами метаболиты (аминокислоты, ферменты, антибиотики и др.). Условия культивирования микроорганизмов, необходимые для накопления биомассы или получения метаболитов, различны. Однако, несмотря на все различия, присутствие живых объектов в системе накладывает на весь технологический процесс получения целевых продуктов и его аппаратурное оформление общие характерные требования.
Основной стадией в производстве любого продукта микробного синтеза, от которой во многом зависит эффективность технологии, является стадия культивирования микроорганизмов в аэробных или анаэробных условиях. В промышленности используются глубинные и реже поверхностные способы культивирования [7].
Принцип глубинного культивирования популяций микроорганизмов в аэробных условиях состоит в постоянном притоке в ферментационную среду источника кислорода (воздуха) при интенсивном перемешивании питательной среды. При этом в ферментаторе протекают процессы на микро- и макроуровнях. К микроуровню условно относят биохимические и физико-химические явления, протекающие на уровне клеток и зависящие от морфологических и физиологических особенностей микроорганизмов. К макроуровню относят гидродинамические, тепловые и другие явления, которые во многом определяют конструктивные особенности ферментаторов.
|
|
|
Барботажные ферментаторы относятся к аппаратам сравнительно небольших объемов и в настоящее время используются при получении чистых культур микроорганизмов и в производстве пищевых дрожжей.
Барботажные ферментаторы представляют собой вертикальные емкости в основном цилиндрической формы, на дне которых располагаются газораспределительные устройства – барботеры, предназначенные для подачи аэрирующего воздуха (рисунок 1.1). Иногда для лучшего перемешивания среды барботеры рассредоточены по всему объему аппарата. Внутри аппарата помещаются также теплообменники для отвода тепла и в отдельных конструкциях механические пеногасители [4].
Известно большое количество конструкций барботеров. На рисунке 1.1 б – г показаны распространенные конструкции барботеров, состоящие из тонкостенных (от 1 до 2 мм) металлических трубок диаметром от 20 до 30 мм, на верхней поверхности которых имеются отверстия диаметром от 0,3 до 2 мм с шагом от 5 до 7 мм с общим числом отверстий до 1000 на 1 м2 поперечной площади ферметатора.
При такой конструкции барботеров на каждый метр столба жидкости аппарата необходимо иметь давление воздуха в системе не менее
0,013 МПа. Для значительного увеличения коэффициента использования кислорода воздуха в качестве барботирующих систем используют керамические пористые трубы с размером пор до 30 мкм, уложенные на дне ферментатора. Но вследствие больших сопротивлений прохождению воздуха, легкой засоряемости пор и трудной их очистки пористые трубы находят ограниченное применение.
Существенным недостатком барботажных ферментаторов является неравномерность концентраций микроорганизмов по высоте ферментатора. Поэтому в нижних слоях ферментационной среды, где концентрация микроорганизмов наименьшая, имеется избыток растворенного кислорода, в верхних – недостаток. Отсутствие в аппарате устройств равномерного распределения популяции микроорганизмов по всему объему среды и устройств, предотвращающих образование агломератов, ограничивает применение ферментаторов с барботажной системой воздухораспределения. Массообменные характеристики
таких аппаратов невысокие. Вследствие этого коэффициент сорбции кислорода не превышает от 0,7 до 2,0 кгО2 /(м3 ч). Этот недостаток
частично устраняется при использовании аппаратов колонного
типа с большой высотой столба жидкости. В них выше движущая
сила процесса массопередачи, увеличена интенсивность микро- и
макроперемешивания среды пузырьками воздуха, что приводит к возрастанию скорости сорбции кислорода.
Массообменные характеристики барботажных аппаратов существенно зависят от конструкции газораспределительного устройства
и свойств ферментационной жидкости. С целью интенсификации массообменных процессов барботажные ферментаторы оснащают дополнительными элементами: циркуляционными контурами, контактными устройствами и др. [4, 6].
|
|
|
