Материал: 69.24

ло, вводиться в нижню частину ферментера за допомогою різноманітних -об ладнань для рівномірного розподілення його по всьому перерізу ферментера.

Дихання мікроорганізму відбувається тільки за рахунок кисню, розчиненого в середовищі. Оптимальними є умови для дихання, якщо в середовищі наявна деяка кількість розчиненого вільного кисню. Фактично наявність розчиненого кисню в середовищі визначається відношенням між швидкістю вживання його культурою мікроорганізмів і швидкістю його розчинення в середовищі, яка, звісно, повинна бути більшою. В іншому разі вживання кисню буде визначатися не фізіологічною необхідністю мікроорганізму, а тією кількістю кисню,

окислювальні процеси. Внаслідок цього культура, що виросла в умовах кисневого голодування, характеризується низькою інтенсивністю дихання і пониженою здатністю до біосинтезу Ферментні препаратиу.

Отже, основним призначенням аеруючого обладнання в ферментері є забезпечення умов для максимального розчинення кисню повітря, щоб в середовищі при вирощуванні культури знаходився вільний розчинений кисень.

Існує багато способів аерації і перемішування середовища. Для вибору оптимального варіанту ферментеру проаналізуємо конструкції деяких з них.

Вибір ферментеру

Ферментери з введенням енергії аеруючим газом. Самим простим і найбільш розповсюдженим є подача повітря в рідину через барботери або інші аеруючі пристрої (дифузори, форсунки та ін). Група ферментерів в які енергія вводиться аеруючим газом є найбільш поширеною і відомою. Апарати цієї групи здавна використовуються для отримання мікробної маси в асептичних та умовно асептичних типах біосинтезу. Технологічні переваги цих апаратів базуються на простоті конструкції, відсутності рухомих елементів і простоті ке-

рування, що обумовлює високу експлуатаційну надійність ферментерів цієї групи. Конструктивні особливості барботажних ферментерів визначаються типом аератора і об’ємом апарата. Серед барботажних ферментерів найбільш відомі апарати типу ВДА конструкції М.Ф.Осипова і М.І.Дерканосова, ще випускаються ферментери ВДА 2А-100 (розробка М.П.Гандзюка та інших) з новою системою аерації. Геометрична місткість серійних апаратів - 30 і 100м3.

Ступінь подрібнення повітря при використанні барботерів визначається числом отворів і їх діаметром. При цьому застосовуються барботери різноманітної форми (кільцеві, променеві, і т.д.). Діаметр отворів складає 0,5 – 2мм. Число отворів визначається з розрахунку, щоб їх сумарна площа забезпечувала необхідну швидкість повітря при виході з них. Для одержання макси-

мального ступеня диспергування повітря в деяких випадках допускається швидкість до 100м/с, однак при цьому спостерігається значна втрата напору, тому необхідно підвищити тиск повітря, що подається до 2 – 2,5 атм. Тому, щоб уникнути значних втрат напору, швидкість повітря повинна бути в межах5 – 10м/с.

81

Але використання барботерів має суттєві недоліки. Як би мілко не розпилювалося повітря, при проходженні через рідину окремі маленькі на початку бульбашки збільшуються, внаслідок чого величина поверхні контакту фаз зменшується і може виявитися недостатньою. Єдиний спосіб посилення масообміну в цьому випадку– збільшення подачі повітря. Тому при аерації за допомогою барботерів завжди необхідна велика затрата повітря.

Впроцесі росту культури постійно виникає нерівномірність розподілення

всередовищі поживних речовин і продуктів обміну, оскільки найближчі до поверхні культури шари середовища збіднюються першими й збагачуються останніми. Тому енергійне перемішування при вирощуванні продуцента є необхідною умовою нормального розвитку мікроорганізму і максимально можливого накопичення ферментного препарату.

Перемішування середовища за допомогою барботеру є недостатнім, особ-

ливо для ферментерів об’ємом4 – 5м3 і більше. Тому аерування і перемішування середовища тільки за допомогою барботеру допустиме лише у випадках, коли вимоги до активності вирощуваної культури не є високими, наприклад в посівних апаратах.

В процесі проектування відділення біосинтезу треба прийняти до уваги, що більшість ферментерів системи ВДА має циліндричну форму, має сорочку для терморегуляції культуральної рідини. Сорочка секційна і складається з10 поясів. Аераційна система представлена трубою та коробами, що прокладені на

розподільного колектора та короба, який зверху закритий перфорованими пластинами з отворами діаметром 0,5 мм. В деяких апаратах змонтовані трубчасті системи аерації, що складаються з перфорованих трубок.

Ферментери з контактними пристроями. Суттєвим недоліком барбо-

тажних ферментерів є невисокий рівень швидкості розчинення кисню(1-2 кг/м3×год). Основною причиною цього є низький рівень -макроімікро турбулентності, недостатня циркуляція середовища.

Для ліквідації цього недоліку розроблені барботажні ферментери з нерухомими контактними елементами які забезпечують утворення та формування поверхні контакту фаз. До апаратів цієї групи відносяться барботажні колоні, газліфтні колоні, тарілчасті колоні. Збільшення поверхні фазового контакту реалізується слідуючим чином:

-додаткова диспергація газової фази в рідині;

-розділення рідкої фази на шари (санкціонування) для створення кінцевої кількості ступіней контакту фаз,

-забезпечення таких умов формування потоків газорідинної емульсії

82

Найбільш простим типом контактних елементів є тарілка, яка перфорована круглими отворами які перекривають всю площу перерізу апарата можливе ярусне розташування тарілок по висоті апарата.

Перспективними визнані конструкції апаратів яких комбіновані контактні газорозподілюючі пристрої і вмонтовані теплообмінники.

Ферментери барботажно-ерліфтного типу застосовують для отримання мікробного білку. Апарат представляє собою вертикальну циліндричну місткість H/d<2. Характерною конструктивною особливістю є те що всередині апарату знаходиться один або декілька дифузорів(стаканів) або перегородок для примусового розділення потоків циркулюючої культуральної рідини. Одночасно вони виконують роль теплообмінників. В тому випадку, коли їх декілька, дифузори рівномірно розміщують по перерізу апарата або монтують

концентрично. Газорозподільний пристрій розташовують біля дна в зоні висхідних потоків.

До розгляду пропонується декілька найбільш поширених конструкцій промислових ферментерів .

Ферментери системи Лефрансуа– Маріє. (Ле Франсуа - Марійє). Для виробництва мікробного білку–гідролізно-дріжджового походження використовують апарати місткістю 250, 320, 600 та 1300 м3. Апарат представляє собою циліндричну місткість, всередині якого концентрично розташований дифузортеплообмінник. Ферментер не має системи піногасіння. Піна руйнується підвагою стовпа рідини при її циркуляції. Повітря в ферментер поступає через повітропровід, розташований по центру апарата. В нижній частині апарата повітропровід спирається конічну основу, яка утворює з дном кільцевий зазор (кювету) для виходу повітря. Утворена газорідинна дисперсія піднімається по дифузору майже до верху апарата. Діаметр дифузора повинен відповідати потоку диспергованої культуральної рідини. Частина повітря відділяється від потоку диспергованої рідини і через відкритий люк виходить з апарата, частина повітря з диспергованою рідиною по кільцевому зазору між стінкою апарата і дифузором сходить в низ. Піна зріджується і рідина повертається в кювету, рідина знову диспергується і піднімається по дифузору. Циркуляція проходить з швидкістю 2-3хв-1.Швидкість розчинення кисню в промислових апаратах не більше 2-3кг/м3*год.

Промислові апарати мають висоту12-15м,піна в них піднімається на1012м.Монолітний стовп рідини має 3,5-4,5м

Ерліфтно-периферійні та ерліфтнібагатозонні. Ерліфтні ферментери відрізняються від базової системи Лефрансуа конструкцією комунікацій для підведення поживних компонентів та установкою пінонаправляючих“парасолей”.

Ерліфтно-периферійний ферментер. Апарат складається з циліндричного

спирається на повітророзподільний пристрій, який утворює кільцевий зазор між

83

стінкою та дном ферментера через який виходить повітря. В нижній частині труби розташовані отвори для виходу повітря в центральний дифузор. Для до-

помірними витратами на аерацію високою експлуатаційною надійністю, низькими експлуатаційними витратами. До недоліків відноситься низький рівень масопередачі кисню, (KLa=250-350 год –1).Причиною недостатньо високого рівня масопередачі кисню є погана диспергація повітря.

Ерліфтний багатозонний ферментер Апарати цієї серії, як і попередня конструкція представляють собою модифікований ферментер Лефрансуа. В апараті змонтовані три дифузора-теплообмінника. Повітря поступає через центральні труби, які спираються на кювети і утворюють з ними кільцеві зазори для виходу повітря в зони, які обіймають дифузори На повітряних трубах і в верхній частині над дифузорами встановлені парасолі для повернення піни в потік.

Ферментери з циркуляційними трубами. Ферментер системи Шоллер-

Зайделя. Аерація рідини забезпечується в12 циркуляційних трубах діаметром 0,35м, які змонтовані навколо корпуса ферментера. Повітря подається в циркуляційну трубу через керамічну свічку. Апарат має виносний механічний піногасник. Для охолодження використовують повітря або зовнішнє зрошення.

Ферментер системи УкрНДІСПа. Апарат розроблений О.У.Мамунею з співавторами представляє собою вертикальну циліндричну місткість об’ємом 600м3, всередині якої змонтовані циркуляційні труби з сорочками. В ферментері збережений багатозональний принцип ерліфтного перемішування. Поживне середовище по колектору безперервно подається повітророзподільний пристрій диспергується потоком повітрям і піднімається по циркуляційній трубі.

Серед ерліфтних апаратів особливе місце займаєгазліфтний ферментер, який виготовляє Дзержинський завод хімічного машинобудування місткістю 100 м3. Ферментер призначений для проведення біосинтезу в асептичних умовах, наприклад, для виробництва кормового концентрату лізину. Корпус апарата представляє собою вертикальну циліндричну місткість з еліптичними приварними днищем і кришкою. В корпусі апарата розміщені розташоване в днищі контактний пристрій для диспергації повітря, теплообмінні пристрої у вигляді

спіральних змійовиків, контактні диспергуючі пристрої захисні обичайки у вигляді стаканів циркуляційного контуру, відбиваючі перегородки в нижній частині спіральних змійовиків. Суттєвою відмінністю цього ферментеру від інших конструкцій є те, що в апараті змонтовані контактні пристрої у вигляді

84

Потужність електродвигуна привода піногасника, кВт 13

Рис.5.2. Схеми ферментерів з підводом енергії газовою фазою:

а – Ферментер барботажний Н0/D≤2: 1 – корпус, 2 – повітрярозподілювач, 3 – карман, 4 – колектор; б – Ферментер барботажний колонний 2<H0/D<10: 1 – корпус, 2 – сорочка, 3 – повітрярозподілювач; в – Ферментер барботажний ерліфтний Ho/D<2: 1 – корпус, 2 – дифузор-теплообмінник, 3 – повітрярозподілювач; г – Ферментер газліфтний колонний 2<H0/D<10: 1 – корпус, 2 – дифузор, 3 – диспергатор, 4 – повітрярозподілювач, 5 – теплообмінник; д – Ферментер газліфтий петльовий колонний: 1 – корпус, 2 – дифузор, 3 – повітряпровідний патрубок; е – Ферментер газліфтний рециркуляційний колонний: 1 – піногасник, 2 – теплообмінник, 3 – циркуляційна труба, 4 – диспергатор, 5 – корпус; ж – Ферментер тарілчастий колонний: 1 – корпус, 2 – тарілка, 3 – повітряпровідна труба, 4 – переливна труба; 3 – Ферментер з плаваючою на-

85