 |
Изучение работы ферментатора
|
|
|
|
С КОМБИНИРОВАННЫМ ПОДВОДОМ ЭНЕРГИИ (4 часа)
Теоретические сведения
Основу процесса ферментации составляет обмен веществ, т. е. потребление биомассой питательных компонентов, переработка их
в клетках и выделение в среду продуктов метаболизма. В результате обмена веществ, сопровождаемого процессами передачи энергии, происходит синтез клеточной массы, рост и развитие микробной популяции в целом, что приводит к быстрому увеличению биомассы микроорганизмов. Таким образом, процесс микробиологического синтеза
в аппарате – это определенным образом организованное развитие популяции микроорганизмов во взаимодействии с окружающей (ферментационной) средой, содержащей необходимые для роста клеток питательные вещества.
Ферментационная среда представляет собой сложную многофазную систему, состояние которой зависит от природы микроорганизмов, их морфологических и физиологических особенностей, субстратов, степени и интенсивности аэрации, перемешивания, а также подвода к клеткам питательных веществ, снабжения кислородом, поддержания оптимальных физико-химических условий (температуры, давления, водородного показателя рН и др.) [3].
Гидродинамическая обстановка в ферментаторе играет большую роль в развитии популяции микроорганизмов и зависит от конструктивных особенностей ферментаторов, способов перемешивания, места ввода энергии, свойств среды и других факторов. Гидродинамическая обстановка в аппарате в значительной степени определяет интенсивность массообменных процессов и, в конечном итоге, рост и развитие популяции микроорганизмов.
Перемешивание является одним из основных факторов, определяющих гидродинамическую обстановку в ферментаторе. С увеличением его интенсивности возрастают скорости массообменных процессов, равномерно распределяются по всему объему ферментатора питательные вещества и популяция микроорганизмов, возрастает скорость биохимических реакций в клетке вследствие отсутствия лимитирующих факторов. Все это приводит к увеличению производительности ферментатора по целевому продукту биосинтеза. Однако, чрезмерное увеличение интенсивности перемешивания может быть связано с возможным механическим воздействием на клетку.
|
|
|
При проектировании ферментаторов следует придерживаться принципа, что перемешивание должно обеспечивать, в первую очередь, заданную массопередачу кислорода (метана, водорода) из газа в жидкость и диоксида углерода из жидкости в газ. Именно эту функцию перемешивания следует считать главной. Если условие массопередачи по газам выполняется, то интенсивность перемешивания вполне достаточна для выполнения таких функций, как массопередача кислорода и других субстратов в клетку, диоксида углерода и прочих продуктов обмена из клетки, десегрегация агломератов, диспергация парафинов, равномерное распределение микроорганизмов и питательных компонентов по всему объему ферментационной среды и т. д.
Для различных процессов биосинтеза широко используются ферментаторы с механическими перемешивающими устройствами. В ферментаторах этого типа энергия подводится к жидкой фазе с помощью перемешивающего устройства и путем принудительной подачи воздуха. Такие аппараты имеют хорошие массообменные характеристики,
и в них можно сравнительно легко варьировать режим перемешивания и массообмена [9]. В известных аппаратах этого типа могут происходить интенсивные массообменные процессы в ферментационных средах широкого диапазона вязкостей при культивировании бактерий, дрожжей, грибов и других микроорганизмов. Они наиболее широко
|
|
|
применяются в производстве продуктов микробного метаболизма (аминокислот, ферментов, антибиотиков), редко – в производстве кормовых дрожжей.
Конструктивно аппарат выполняется (рисунок 2.1) в виде сосуда 1 (с эллиптическими или плоскими крышкой и днищем), заключенного в рубашку 2. На ферментаторах с объемом менее 6,3 м3 рубашка делается сплошной, а при объемах более 6,3 м3 – секционированной. На крышке аппарата установлен электродвигатель с редуктором.
Внутри сосуда на вертикальном валу закреплены мешалки 3, число которых (от 1 до 4) зависит от высоты аппарата. Так, например,
в аппаратах колонного типа на валу установлены четыре мешалки различных конструкций. Внизу, у самого днища ферментатора, расположена мешалка пропеллерного типа, чуть выше – закрытая турбинная мешалка с криволинейными лопастями и статором, а затем две закрытые турбинные мешалки с прямыми лопастями. Воздух подается в аппарат принудительно через аэрирующее устройство 6 (трубчатый барботер), расположенное снизу, под нижней мешалкой. Вдоль образующих сосуда установлены четыре вертикальные отражательные перегородки 4 шириной 
и высотой 
, где 
– высота исходного слоя жидкости в аппарате; 
– газосодержание системы; 
– внутренний диаметр аппарата. При емкости сосуда более 16 м3 внутри него устанавливаются дополнительные теплообменные элементы, змеевики 5, для отвода теплоты, образующейся при росте микроорганизмов. Опыт эксплуатации как газожидкостных реакторов в химической промышленности, так и ферментаторов показал, что аппараты
с механическим перемешиванием газа в жидкости целесообразно выполнять номинальным объемом до 100 м3. Пропускная способность таких аппаратов по газу обычно не превышает 2000 м3/ч.
Герметичность ведения культивирования микроорганизмов обеспечивает сальниковое уплотнение (рисунок 2.2 б). Чтобы провести процесс в асептических условиях, применяют также торцовое уплотнение вала (рисунок 2.2 а). Корпус торцового уплотнения заполняется маслом, создающим термический затвор и смазывающим трущиеся поверхности [2].
Для стерилизации уплотнения в рубашку корпуса подается пар. При работе мешалки в зоне торцового уплотнения допускается радиальное биение вала не более 0,25 мм и угловое биение 0,25 град. При частоте вращения вала мешалки до 400…500 мин-1 и давлении до
0,3 МПа торцовые уплотнения обеспечивают герметичность ферментатора, если нижние опоры вала установлены правильно.
|
|
|
Аппараты с перемешивающими устройствами различаются объемом, количеством ярусов, типом и формой мешалок, формой барботера, теплообменными устройствами, наличием отбойников и т. д. [14].
Ферментационная жидкость в таком аппарате перемешивается
с помощью мешалки и движущихся вверх пузырьков воздуха, подаваемого через барботер. Мешалки обеспечивают также дополнительное диспергирование воздуха, способствуя увеличению поверхности контакта фаз и коэффициента массопередачи. Изменяя частоту вращения мешалки и расход подаваемого воздуха, можно в достаточно широких пределах варьировать скорость массопередачи [3,9].
На рисунке 2.3 изображены некоторые типы мешалок, применяемых в аппаратах с комбинированным вводом энергии. Наиболее распространены открытые турбинные мешалки с прямыми и наклонными лопастями, обеспечивающие хорошее диспергирование воздуха и низкий проскок воздуха вдоль вала мешалки [14]. Наиболее эффективной при диспергировании газа в жидкости считается открытая турбинная
мешалка с прямыми или изогнутыми лопастями при следующих соотношениях размеров ее элементов:
; 
; 
.
Барботер выполняется в виде кольцевого открытого снизу желоба с равномерно распределенными по его верхней кромке отверстиями. Диаметры отверстий 
от 2 до 5 мм при шаге размещения 
. Скорость газа в отверстиях 
составляет от 20 до 25 м/с. При диаметре сосуда 
необходимо устанавливать несколько параллельно работающих кольцевых желобов.
Размещение одного кольцевого желоба (наружного при многокольцевом варианте) относительно турбинной мешалки показано
на рисунке 2.4. При этом используются следующие установочные размеры:
; 
.
Эффективность перемешивания ферментационной жидкости и затраты энергии для вращения мешалки зависят от ряда факторов: плотности и вязкости перемешиваемой жидкости, типа, размеров и частоты вращения мешалки, размеров и конструкции ферментатора (наличие отбойников, змеевиков и др.), объема культуральной жидкости, расхода воздуха, подаваемого на аэрацию.
|
|
|
|
|
|
