Физиологическое тепло, выделяемое культурой в процессе роста, отводится водой. Это позволяет сократить расход кондиционированного воздуха с 20 000 до 500 м3 на 1 т культуры.
Применение вибрации позволяет:
- интенсифицировать процессы массо- и теплообмена;
- ускорить процесс микробиологического синтеза;
- механизировать технологические операции;
- повысить активность культуры;
- повысить эффективность технологии.
Вибрационные установки могут быть как горизонтального, так и вертикального типа. На рис.4.3 показана установка растильная винтового типа.
Вибрационная установка винтового типа состоит из вибростерилизатора и четырех герметизированных вертикальных вибрационных конвейеров лоткового типа 7. Растильной частью установки являются первые три конвейера. Каждый конвейер соответствует условиям роста первого, второго и третьего периода. Четвертый конвейер предназначен для сушки культуры. Каждый конвейер имеет индивидуальный привод и вибратор.
Стерильная засеянная питательная среда из вибростерилизатора 3 поступает в приемный лоток 6 первого виброконвейера. Под влиянием виброимпульсов, сообщаемых желобу, перемещается снизу вверх, Из верхнего лотка первого виброконвейера среда по трубе поступает в нижний приемный лоток второго виброконвейера, затем по такой же схеме перемещается в третий и четвертый виброконвейеры.
Устройство второго виброконвейера отличается от первого тем, что лотки его снабжены водяной рубашкой для отвода тепла, выделяемого культурой в период роста. Кроме того, во второй виброконвейер подается стерильный кондиционированный воздух.
Скорость движения среды по лоткам виброконвейеров составляет 2-3 мм/с. Диаметр и число витков виброконвейеров рассчитаны так, чтобы среда находилась в непрерывном движении в период процесса роста.
Четвертый виброконвейер выполняет роль сушилки. В рубашку его лотков подают воду с температурой 70 °С, а в корпус - воздух с температурой 70-80 °С. Выращенная и высушенная культура гриба выгружается, воздух перед удалением подвергается бактериальной очистке.
Установка для непрерывного выращивания грибных культур колонного типа обеспечивает перемешивание и разрыхление всей толщи среды в процессе выращивания, предотвращает высыхания верхних слоев, а также интенсифицирует процесс выращивания. В состав установки входят: бункер для среды /, сборник для приготовления посевного материала, стерилизатор, устройство для охлаждения иувлажнения среды, устройство для посева культуры и аппарат для выращивания. Основным узлом в установке является аппарат для выращивания культур. Выполнен он в виде секционной колонны, имеет сферическую крышку / и коническим днищем. В центральной части колонны установлены шнек и вал. Витки вала выполнены полыми, кроме того, являются прерывистыми и в промежутках между ними установлены контрпальцы для измельчения выращенной культуры.
Верхняя секция снабжена контрплитой для направления движения среды к шнеку. Средние секции выполнены двустенными, причем внутренние стенки перфорированы. Наружные стены имеют люки и штуцера для подвода воздуха. Секции соединяются между собой при помощи фланцев. Привод шнека осуществляется через редуктор, установленный над крышкой колонны.
Во время работы установки в верхнюю секцию аппарата поступает стерильная среда, засеянная культурой грибов. Контрплита предотвращает вращение среды и направляет ее к шнеку. В верхней зоне колонны среда находится 12 ч.
Из первой зоны среда поступает во вторую, где происходит активный рост культуры с выделением тепла. Отвод тепла от культуры осуществляется через поверхность шнека, в полую часть которого и витки подают хладагент.
В процессе выращивания среда перемешивается контрпальцами аэрируется кондиционированным воздухом. Воздух поступает через перфорированные внутренние стенки. Продолжительность выращивания во второй зоне длится 14 ч.
Выращенная культура поступает в нижнюю секцию колонны, где происходит накопление белка и ферментов. Длительность этого цикла составляет 8-12 ч. После этого выращенная культура измельчается и через коническое днище направляется на дальнейшую переработку.
Скорость движения культуральной массы внутри колонны зависит от времени выращивания культуры.
2. Культивирование микроорганизмов на жидких питательных средах
Культивирование микроорганизмов на жидких питательных средах - сложный и тонкий процесс получения продуктов микробного синтеза.
Биосинтез биологически активных веществ зависит от ряда факторов:
1) температуры ферментации;
2) рН среды и растущей культуры;
3) концентрации растворенного кислорода;
4) длительности культивирования;
5) конструкции и материала оборудования, в котором происходит процесс, и др.
Ферментеры для глубинного выращивания микроорганизмов по способу культивирования подразделяются на аппараты непрерывного и периодического действия.
По конструктивным признакам их можно разделить на следующие группы:
1) аппараты с диффузором и турбиной;
2) с вращающимися аэраторами;
3) с механическими мешалками;
4) с наружным циркуляционным контуром;
5) колонные ферментеры, с эжекционной системой аэрации.
В микробиологической промышленности процессы культивирования продуцентов биологически активных веществ проводятся периодическим способом в стерильных условиях.
Стерильность процесса обеспечивается:
1) стерилизацией ферментера, трубопроводов, датчиков приборов КИПиА;
2) подачей в ферментер стерильной питательной среды и чистой посевной культуры;
3) подачей стерильного воздуха для аэрирования растущей культуры;
4) использование стерильного химического пеногасителя;
5) установкой в ферментере стерилизуемых датчиков для контроля и регулирования параметров процесса;
6) поддержание стерильной воздушной или паровой защиты уплотнения вала перемешивающего устройства, технологических трубопроводов и арматуры в течение всего процесса выращивания.
Конструкция любого ферментера должна обеспечить нормальный процесс культивирования клеток.
Для этого необходимо предусмотреть:
1) подвод к каждой клетке в достаточном количестве всех питательных веществ;
2) отвод от каждой клетки продуктов метаболизма;
3) термостатирование микробной суспензии в каждой точке;
4) поддержание оптимальных рабочих параметров в каждой точке;
5) требуемый уровень аэрирования, перемешивания;
6) высокий уровень автоматизации процесса культивирования, техники безопасности и условий труда операторов.
Достигается это за счет подсоединения к ферментеру следующих систем:
- подачи жидкостных (или сыпучих) потоков в аппарат;
- ввода и вывода газовых потоков;
- аэрирования ферментационной среды;
- перемешивания ферментационной среды;
- пеногашения ферментационной среды;
- термостатирования ферментационного объема;
- стерилизации ферментера и ферментационной среды;
- вывода жидкостных (или сыпучих) потоков из аппарата;
- контроля и регулирования заданных параметров процесса.
Ферментер с механическим перемешиванием барботажного типа представляет вертикальный аппарат цилиндрической формы. Крышка и днище аппарата - эллиптические. Отношение высоты к диаметру - 2,6:1.
На крышке аппарата расположены:
- привод перемешивающего устройства;
- привод механического пеногасителя;
- штуцера для загрузки питательной среды, посевного материала, пеногасителя, подачи и вывода воздуха;
- смотровые окна;
- люки для погружения моющей механической головки;
- предохранительный клапан;
- штуцера для приборов визуального контроля.
В днище аппарата предусмотрен спускной штуцер. Снаружи ферментер имеет рубашку. Она состоит из 6-8 секций. Каждая секция состоит из 8 навитых опоясывающих каналов, выполненных из уголкового профиля размером 100 X 60 мм. Площадь поверхности охлаждения рубашки 60 м2.
Внутри аппарата проходит вал. На валу закреплены перемешивающие устройства: две закрытые турбины, одна открытая и винтовая мешалка. Диаметр турбин 600-1000 мм, ширина лопастей 150-200 мм,
Ввод воздуха осуществляется через барботер. Барботер выполнен в виде разборного ромба из перфорированных труб. В верхней части труб в шахматном порядке располагаются 2000-3000 отверстий.
Для охлаждения среды и отвода выделяемого тепла имеется змеевиковый теплообменник с поверхностью охлаждения 45 м2. Змеевик состоит из 23 витковдиаметром 600 мм, высота змеевика 2,4 м.
Общая высота аппарата более 8 м.
Для обеспечения стерильности процесса предусмотрены торцовые уплотнения вала перемешивающего устройства с паровой защитой.
Ферментер рассчитан для работы под избыточным давлением 0,25 МПа; стерилизации паром при температуре 130-140 0С, а также для работы под разрежением. При выращивании микроорганизмов давление внутри ферментера находится в пределах 50 кПа. Расход стерильного воздуха составляет до 1,0 м3/(м3мин). Высота столба жидкости в аппарате около 5-6 м.
Для эффективной работы ферментера очень важным условием является соблюдение предусмотренных режимов. Для их поддержания важную роль играет обвязка ферментера. гриб ферментер эрлифтный
Рис 1. Ферментер с механическим перемешиванием.
Ферментеры с пневматическим перемешиванием и аэрированием среды по конструкции незначительно отличаются от ферментеров с механическим перемешиванием среды. Вместо перемешивающих механических устройств внутри смонтированы форсунки, диффузоры, барботеры для подачи воздуха. Воздух и используется для перемешивания растущей культуры. Кроме этого он поставляет кислород для растущей культуры, участвует в отводе образующихся метаболитов.
Воздух под давлением с помощью направляющих лопаток аэратора вводится по касательной к окружной розетке. Это придает вихревое движение воздушно-жидкостной эмульсии. Эмульсия непрерывно циркулирует по внутреннему замкнутому контуру через верхние кромки цилиндра, кольцевое пространство между внутренней стенкой аппарата и внешней стенкой аэрирующего устройства и через раструб поднимается вверх. За счет создания циркуляционного контура происходят интенсивное перемешивание и аэрирование растущей культуры.
Для более эффективного отвода физиологического тепла предусмотрена дополнительная поверхность охлаждения диффузора. Аппарат работает под избыточным давлением.
Недостатком таких ферментеров является:
- более низкая величина рабочего объема по сравнению в сравнении с ферментером с механическим перемешиванием;
- затруднено использование при работе с сильно пенящимися средами.
Используют ферментеры при работе с питательными средами небольшой вязкости, и когда культура микроорганизмов не нуждается в интенсивном перемешивании.
Рис.2. Ферментеры с пневматическим перемешиванием: а) эрлифтный; б) пузырькового типа