Обладнання для глибинного культивування мікроорганізмів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

Кафедра біотехнології

КУРСОВА РОБОТА

(пояснювальна записка)

з дисципліни «Конструкція обладнання біотехнологічних виробництв»

Тема: «Обладнання для глибинного культивування мікроорганізмів»

Виконала: студентка гр. ЕТ-304 групи

Даценко Т. В.

Керівник: старший викладач

Горупа В. В.

Київ 2012

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

Кафедра біотехнології

Дисципліна: Конструкція обладнання біотехнологічних виробництв

Спеціальність: Біотехнологія

Курс: третій Група: ЕТ 304 Семестр: п'ятий.

ЗАВДАННЯ

на курсову роботу студента

Даценко Тетяни Валеріївни

(прізвище, ім'я, по батькові студента в родовому відмінку)

1. Тема роботи «Обладнання для глибинного культивування мікроорганізмів»

2. Строк здачі студентом закінченої роботи: «10» грудня 2012р.

3. Вихідні дані до роботи: Апарати для глибинного культивування

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які підлягають розробці): теоретична частина вміщує в себе огляд теоретичного матеріалу за темою курсової роботи, в роботі приведенна класифікація, будова, …..

5. Календарний план

№ пор.	Назва етапу	Термін виконання	Відмітка про виконання
1	Отримання теми курсової роботи	09.10.2012р.
2	Пошук літератури за темою к.р.	31.10-7.11.2012р.
3	Патентний пошук аналогічних конструкцій країн ….(якщо Є)	7.11.-14.11.2012р.
4	Систематизація та структурування матеріалу	15.11.-21.11.2008р
5	Написання ПЗ	21.11.-28.11.2012р.
6	Захист курсової роботи	01.12.2012р.

6. Дата видачі завдання: «10» жовтня 2012 р.

Керівник курсової роботи (проекту) _____________ Горупа В.В.

(підпис керівника) (П.І.Б.)

Завдання прийняла до виконання _______________ _Даценко Т.В.

(підпис студента) (П.І.Б.)

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до курсової роботи “Обладнання для глибинного культивування”: 25 с., 1 таблиця, 2 графіки, 5 літературних джерел.

Об'єкт дослідження - обладнання для глибинного культивування.

Мета роботи - дослідити обладнання для глибинного культивування.

Методи дослідження - аналіз, систематичний підхід, спостереження.

КЛЮЧОВІ СЛОВА

МІКРООРГАНІЗМИ, КУЛЬТИВУВАННЯ, ФЕРМЕНТЕР, ПНЕВМАТИЧНЕ ПЕРЕМІШУВАННЯ, МЕХАНІЧНЕ ПЕРЕМІШУВАННЯ, БАРБОТЕР, САЛЬНИКОВІ УЩІЛЬНЕННЯ, ПІНОГАСНИК, КОЄФІЦІЄНТ НАПОВНЕННЯ, СТЕРИЛІЗАЦІЯ……

ЗМІСТ

Вступ

1. Технологічні основи біотехнологічних виробництв

2. Класифікація обладнання для глибинного культивування

2.1 Ферментери для стерильного культивування

2.1.1 Ферментери з механічним перемішуванням барботерного типу

2.1.2 Ферментери з пневматичним перемішуванням і аерацією середовища

2.2 Ферментатор для нестерильних процесів культивування мікроорганізмів

2.2.1 Ферментери з пневматичним перемішуванням і внутрішнім циркуляційним контуром

2.2.2 Ферментери з самовсмоктуючою мішалкою

2.2.3 Ферментер горизонтального типу конструкції ЛенНІІхіммаша

2.2.4 Колонні ферментери

2.2.5 Ферментери з ежекційною системою аерації

2.2.6 Ферментер з інтенсивним масообміном

Висновки

Список використаної літератури

ВСТУП

Культивування мікроорганізмів - створення штучних умов для підтримки процесів життєдіяльності й розмноження мікробів іn vіtro. Із цією метою використовують живильні (культуральні) середовища. Для одержання мікроорганізмів або продуктів їхньої життєдіяльності в промислових масштабах використають методи глубинного й безперервного культивування.

1. Технологічні основи біотехнологічних виробництв

У загальному виді будь-який біотехнологічний процес включає три основні стадії: передферментаційну, ферментаційну й постферментаційну.

На предферментаційній стадії здійснюють зберігання й підготовку культури продуцента (інокулята), одержання й підготовку живильних субстратів і середовищ, ферментаційних апаратур, технологічної й рециркуліруємої води й повітря. Підтримка й підготовка чистої культури є дуже важливим моментом предферментаційної стадії, тому що продуцент, його фізіолого-біохімічні характеристики й властивості визначають ефективність усього біотехнологічного процесу.

Стадія ферментації є основною стадією в біотехнологічному процесі, тому що в її ході відбувається взаємодія продуцента із субстратом і утворення цільових продуктів(біомас, ендо- і екзопродуктів). Ця стадія здійснюється в біохімічному реакторі(ферментері) і може бути організована залежно від особливостей використовуваного продуцента й вимог до типу і якості кінцевого продукту різними способами. Ферментація може проходити в строго асептичних умовах і без дотримання правил стерильності (так звана "незахищена" ферментація); на рідких й на твердих середовищах; анаеробне й аеробне. Аеробна ферментація, у свою чергу, може протікати поверхневого або глибинного(у всій товщі живильного) середовища.

Культивування біологічних об'єктів може здійснюватися в періодичному й проточному режимах, напівбезупинно з підживленням субстратом.

Регуляція умов усередині ферментера - найважливіше завдання періодичного культивування мікроорганізмів.

2. Класифікація обладнання для глибинного культивування

Глибинне культивування мікроорганізмів - продуцентів біологічно активних речовин - є найбільш складним і тонким процесом отримання продуктів мікробного синтезу. Біосинтез продукуючих мікроорганізмом біологічно активних речовин залежить від таких факторів, як температура, рН середовища і культури, що вирощується, концентрація розчиненого кисню, тривалість культивування, конструкція і матеріал устаткування, в якому відбувається процес, і ін.

В залежності від застосовуваних методів оцінки роботи ферментери для глибинного культивування мікроорганізмів поділяють на ряд груп за такими ознаками:

- за способом культивування - на апарати безперервної та періодичної дії;

- за стерильністю - на герметичні і ті, що не вимагають суворої герметичності;

- за конструктивними ознаками - на ферментатори з дифузором і турбіною, з обертовими аераторами, з механічними мішалками, з зовнішнім циркуляційним контуром, колонні ферментери, з ежекційною системою аерації;

- за способом введення енергії і організації перемішування і аерації - на апарати з підведенням енергії до газової фазі, до рідкої фази і комбіновані.

У мікробіологічної промисловості практично всі процеси культивування продуцентів біологічно активних речовин, за винятком дріжджів для одержання БВК на парафінах, гидролізатах і сульфітних лугах, проводяться періодичним способом в стерильних умовах.

2.1 Ферментери для стерильного культивування мікроорганізмів

Культивування більшості мікроорганізмів проводиться в стерильних умовах. Стерильність процесу забезпечується шляхом стерилізації ферментера, трубопроводів і датчиків приборів КВП; подачі в простерилізований ферментер стерильного поживного середовища і чистої посівної культури, стерильного повітря для аерації зростаючої культури і стерильного хімічного піногасника; установки в ферментері стерилізуємих датчиків для контролю та регулювання параметрів процесу; підтримання стерильного повітряного або парового захисту ущільнення перемішуючого валу, технологічних трубопроводів і арматури протягом всього процесу культивування.

глибинний культивування ферментер мікроорганізм

2.1.1 Ферментери з механічним перемішуванням барботерного типу

До ферментерів з механічним перемішуванням барботерного типу відносяться ферментери об'ємом 60 м3, ферментери об'ємом 100 м3 виробництва ГДР, ферментери конструкції Гіпромедпрома, ферментер фірми «Нордон» (Франція).

Розглянемо принцип роботи на прикладі ферментеру Techfors S.

Techfors S - простий у використанні, стерилизуємий біореактор двох модифікації:

- для культивування всіх видів бактерій, дріжджів, грибів;

- для культур клітин.

Ферментатор цього типу являє собою вертикальний апарат з центральною стійкою колоною, що дозволяє максимально заощадити простір і забезпечити вільний доступ до труб, насосів. Єдина точка дотику судини і основної стійки оснащена датчиком контролю ваги (рис.1).



Виконання підлогове для всіх моделей ферментер, крім ферментерів з об'ємом судини 3,6/2,4 л. Можливо настільне виконання для ферментер з об'ємом судини 7,4/5 л.

Techfors S для бактерій/дріжджів/грибів

Посудину:

* обсяги (загальний/робочий), л: 3,6/2,4; 7,5/5; 15/10; 30/20;

* сорочка з нержавіючої сталі дозволяє точно підтримувати задану температуру навіть при роботі з невеликими обсягами (мінімальний робочий об'єм ферментер 2,4 л);

* всередині судини є відбійники з нержавіючої сталі.

Перемішування:

* верхній механічний привід;

* 6-ти лопастна мішалка Раштона;

* швидкість перемішування для судин до 1500 об/хв.

Температурний контроль:

* діапазон температури культивування від 5°С вище температури навколишнього до 70°С;

* підтримка температури здійснюється електропідігрівом або парогенератором (опціонально);

* охолодження водопровідною водою через теплообмінник.

Барботирование:

* мембранні фільтри для газів на вході і виході з системи;

* швидкість потоку газів можна контролювати за допомогою ротаметра, термоклапаном з вимірюванням рівня потоку (опція) і модулем змішування газів (опція);

* для контролю рівня pO2 при постійної подачі газу або для обліку микроаэрофильных кількостей можливе використання системи Infors GasMix (модуль

змішування газів і контроль рО2), що дозволяє змішувати гази, ґрунтуючись на значенні рівня розчиненого кисню в культуральному середовищі.

Обчислення пропорцій складу газів відбувається дуже точно. Попередньо відібрана норма потоку і розрахункова доза кисню в суміші показуються на колірному сенсорному екрані;

* виходи для О2, N2, СО2 можуть бути додатково оснащені ротаметрами, контролерами рівня, електромагнітними клапанами.

Стерилізація:

Здійснюється пором, що проходять через сорочку сосуда. можливе оснащення автономним парогенератором

Контрольовані параметри:

Стандартно:

* швидкість перемішування;

* температура;

* рН;

* pO2;

* рівень піни;

* швидкість подачі повітря/газів;

* перемішування газів;

* тиск газів.

Опціонально:

* турбидиметрические вимірювання;

* аналіз вихідного газу;

* аналіз субстрату, наприклад, глюкози або метанолу;

* додаткове підключення аналогових насосів і клапанів;

* вимірювання тиску;

* масспектрометрические вимірювання;

* ваги і т. п.

Максимум 16 контрольованих параметрів.

Програмне забезпечення IRIS V 5.2

Techfors S для клітинних культур

Аналогічний Techfors S для бактерій/дріжджів/грибів, але

* магнітний привід;

* швидкість перемішування від 20 до 300 об/хв;

* мішалка лопастная типу «морський гвинт»;

* немає відбійників на корпусі судини.

Барботирование:

* спеціальний барботер з наконечником для створення дуже дрібних бульбашок;

* контроль рН середовища для клітинних культур здійснюється за допомогою СО2;

* аерація повітрям і О2.

Відношення висоти до діаметру дорівнює 2,6:1. На кришці апарату розташований привід перемішуючого і механічного піногасника; штуцера для завантаження поживного середовища, посівного матеріалу, піногасники, подачі і виведення повітря; оглядові вікна; люки для занурення миючої механічної головки; запобіжний клапан і штуцера для приладів візуального контролю.

Для вивантаження культури в днищі апарату передбачений спускний штуцер 16. Усередині апарату проходить вал 6 з закріпленими па ньому перемішуючими пристроями, що складаються з закритих турбін 8 діаметром 600-1000мм з лопатями шириною 150-200мм, розташованих в два яруси, третьої відкритої турбіни, установлений над барботером 13 для диспергування повітряних пузирів. Барботер виконаний у вигляді розбірного ромба з перфурованових труб. У верхній його частині розташовані в шаховому порядку 2000-3000 отворів.

Вал 6 і перемішуючі пристрої 8, 12, 14 приводяться в обертання від мотор-редуктора 1, 2. Для безступінчатого регулювання частоти обертання в межах 110-250хв-1 використовується тиристорний перетворювач чи привід постійного струму.

Ферментер обладнаний сорочкою 17, що складається з 6-8 ярусів-секцій. Кожна секція складається з 8 навитих каналів, виконаних з уголкового профілю розміром 100х60мм. Площа поверхні охолодження сорочки 60м2. Внутрішня поверхня охолодження площею 45м2 складається з змієвиків 9 діаметром 600 мм з числом витків 23 при загальній висоті змієвика 2,4м.



Рис. 9.1. Ферментатор з механічним перемішуванням барботерного типу місткістю 63 м3:

1 - електродвигун, 2 - редуктор; 3 - муфта; 4 - підшипник; 5 - сальник; 6 - вал; 7 - корпус; 8 - турбінна мішалка; 9 - змієвиковий теплообмінник; 10 - муфта; 11 - труба для підведення повітря; 12 - лопаткова мішалка; 13 - барботер; 14 - гвинтова мішалка; 15 - опорний підшипник; 16 - штуцер для спуску; 17 - сорочка; 18 - завантажувальний штуцер; 19 - штуцер для подачі повітря.

Ферментер розрахований для роботи під надлишковим тиском 0,25 МПа і стерилізації при температурі 130-140°С, а також для роботи під розрідженням. У процесі вирощування мікроорганізмів тиск всередині ферментера в межах 50кПа; витрата стерильного повітря до 1м3 / (м3*хв). Висота стовпа рідини в апараті 5-6м при висоті апарату більше 8м.

Рис.2. Схема обв'язки ферментатора:

1 - вхід пара; 2 - вхід стерильного повітря; 3 - вхід стерильного повітря або пари до корпусу ущільнення; 4 - вихід пари або стерильного повітря до барботер; 5 - вхід пара або стерильного повітря в ферментатор зверху; 6 - вихід пари або стерильного повітря до відбірників проб; 7 - вихід пари або стерильного повітря; 8 - байпасні пристрій з пневматичним регулюючим вентилем; 9 - подача пари або стерильного повітря в ферментатор знизу; 10 - злив конденсату; 11 - манометр; 12 - вентиль; 13 - зливна труба; 14 - запірний вентиль; 15 - кран відбору проб; 16 - вхід пари або стерильного повітря при відборі проб; 17 - патрубок для приєднання контрольного манометра; 18, 25 - манометри; 19 - вентиль для подачі посівного матеріалу; 20 - завантаження культури; 21, 23 - подача титр розчину; 22 - вихід пари або повітря з корпусу ущільнення; 24 - байпас для подачі титр розчину; 26 - підведення відведеного з ферментатора повітря; 27 - підведення води; 28 - зливний кран; 29 - кран для зливу води із сорочки; 30 - кран для подачі охолоджуючої води; 31 - байпас для подачі охолоджуючої води; 32 - гребінка; 33 - манометр; 34 - запобіжний клапан; 35 - датчик температури; 36, 37 - вторинні прилади; 38 - датчик рН-метра; 39 - ферментатор; 40 - пристрій для очищення повітря.

Для зручності обслуговування і щоб уникнути помилок рекомендується проводити обв'язку ферментеру за схемою, показаної на рис.2. Для забезпечення стерильності процесу передбачені торцеві ущільнення вала перемішують з паровим захистом. Торцеві ущільнення розраховані для роботи при тиску до 0,28МПа і залишковому тиску не нижче 2,7кПа, температурі 30-250°С і частоті обертання валу до 500 хв-1. З допомогою торцевих ущільнень вдається практично повністю запобігти витоку середовища або потрапляння повітря в порожнину апарату в місці виведення валу.

Торцеві ущільнення, дотичні з робочим середовищем, виготовляються зі сталі Х18Н10Т і Х17Н13М2Т, а також з титану ВТ-10. Тривалість безвідмовної роботи торцевого ущільнення не менше 2000год при ресурсі роботи 8000год. Допустиме радіальне биття вала в зоні торцевого ущільнення не більше 0,25мм, кутове биття валу не більше 0,25 °.



Рис3. Торцеві ущільнення типу ТТ:

А - вхід замикаючої рідини; Б - вихід замикаючої рідини; В - вхід пари; Г - вихід конденсату; Д - відведення витоків з уловлювачу; М - кран для збирання повітря; И - гільза для манометра.

Для стерильних процесів культивування мікроорганізмів застосовуються торцеві ущільнення типу ТТ з термічним затвором (рис.3), що складаються з корпуса 8, уловлювачі витоків 9, рухомого 2 і нерухомих 1, 4 ущільнювальних кілець і пружини 3, забезпечуючи контакт нерухомих і рухомих кілець ущільнювачів. Рухоме кільце 2 встановлено на втулці 6, обертання якої передається від вала через водило 5.

Корпус заповнюють авіаційним маслом, яке створює термічний затвор і змащує поверхні тертя. Рівень масла визначають за вказівником 7. Уловлювач витоків 9 одночасно запобігає проникненню часток зносу в ферментатор.

У корпусі є сорочка, в яку подається пара для стерилізаціі ущільнення. У разі потреби в сорочку подається охолоджуюча рідина.

Для великотоннажного виробництва біологічно активних речовин, одержуваних за допомогою мікробного синтезу, застосування ферментеру об'ємом 63 м3 неекономічно.

глибинний культивування ферментер мікроорганізм

2.1.2 Ферментери з пневматичним перемішуванням і аерацією середовища

До цього типу відносяться апарати, всередині яких змонтовані форсунки, дифузори, барботер для подачі повітря. Повітря, що подається, використовується для перемішування зростаючої культури, забезпечення потреби мікроорганізму в кисні і відводу утворившихся метаболітів.

Конструктивно такий ферментер зовні аналогічний ферментеру з механічним перемішуванням, але в ньому відсутні механічні перемішуючі пристрої. Аераційним пристроєм (рис.4) є дифузор 9, виконаний у вигляді циліндра з розтрубом біля основи, вмонтований всередину ферментатора. Аератор 2 змонтований по осьовій лінії апарату.

Повітря під тиском з допомогою направляючих лопаток вводиться в аератор по дотичній до окружної розетки, за рахунок чого надається вихровий рух повітряно-рідинної емульсії.



Рис.4 Циліндричний ферментер з пневматичним перемішуванням і аерацією середовища:

1 - штуцер для зливу, 2 - аератор; 3 - змійовики; 4 - люк; 5 - штуцер для подачі поедуха; 6 - штуцер для відводу повітря; 7 - штуцер для завантаження; 8 - сходи; 9 - дифузор; 10 - сорочка; 11 - корпус; 12 - труба передавлювання.

Емульсія безперервно циркулює, але внутрішньому замкнутому контуру через верхні кромки циліндра, кільцевий простір між внутрішньою стінкою апарата і зовнішньою стінкою аератора, а потім знову піднімається вгору через розтруб. Внаслідок створюючого внутрішнього циркуляційного контуру відбуваються інтенсивне перемішування і аерація. З метою більш ефективного відводу фізіологічного тепла крім секційної багатоярусної сорочки 10 передбачена додаткова поверхня охолодження дифузора 9.

Дана конструкція ферментатора розрахована для роботи під надлишковим тиском.

Недоліком цього виду ферментатора є більш низька порівняно з ферментатор з механічним перемішуванням величина робочого об'єму, особливо при роботі з сильно пінливими середовищами. Вони застосовуються в тих випадках, коли культура мікроорганізму не потребує інтенсивному перемішуванні і її в'язкість невелика.

2.2 Ферментатор для нестерильних процесів культивування мікроорганізмів

До нестерильних процесів культивування мікроорганізмів відносяться в основному процеси вирощування продуцентів кормових дріжджів. По конструктивному виконанню ферментери для виробництва кормових дріжджів аналогічні апаратам для виробництва ферментів, кормових антибіотиків, амінокислот і других продуктів мікробного синтезу, але в них відсутні паровий або повітряний захист обертових валів і деякі конструктивні елементи.

У багатьох випадках для виробництва кормових дріжджів застосовуються апарати, використовувані в стерильних процесах.

2.2.1 Ферментатори з пневматичним перемішуванням і внутрішнім циркуляційним контуром

Найбільшого поширення набули ерліфтні дріжджів-растільние апарати системи Лефрансуа з внутрішнім циркуляційним контуром. У гідролізно-дріжджовому виробництві застосовуються апарати цього типу ємністю 250, 320, 600 і 1300 м3. Дані конструкції ферментатор не мають механічних засобів піногасіння. Піна гаситься під вагою стовпа рідини при її циркуляції.

Повітря в апарат проходить по центральній трубі в кювету, де з подаваного сусла і рідини, що міститься в нижній частині апарату, утворюється газорідинна суміш, яка рухається по внутрішньому дифузору. Частина повітря відділяється від піни і виходить в атмосферу через отвір в кришці апарату, а інша частина разом з піною опускається по кільцевому зазору між дифузором і стінкою. При русі вниз піна гаситься. Кратність циркуляції досягає 1,5-2 обсягу робочої рідини в хвилину. Промислові апарати мають висоту 12-15 м. Піна піднімається до висоти 10-12 м. Охолодження ферментатора проводиться зрошенням зовнішньої стінки і подачею води в сорочку дифузора. Витрата повітря становить 20 м3 на 1 кг сухих дріжджів.



Рис.5. Циліндричний ерліфтний ферментер місткістю 1300м3

Призначений для безперервного вирощування дріжджів на суслі, що є відходом гідролізно-дріжджового виробництва.

Він являє собою сталевий зварний корпус 1 з днищем у вигляді усіченого конуса і конічною кришкою з центральним отвором (рис.5.). Усередині апарату встановлено чотири дифузора 7, які створюють чотири самостійно циркулюючих потоку. Через колектор 2 в центральні труби кожного дифузора, на кінці яких є конус і кювету 8, подається стиснене повітря.

На кришці апарату встановлений розподільний бачок, куди через штуцера 3, 4 і 5 надходять бражка, сусло, засівні дріжджі і аміачна вода. Всі компоненти змішуються і утворюють поживну суміш, яка вільним потоком по трубах діаметром 100 мм надходить вниз, в кювети аераційними пристрої.

2.2.2 Ферментатори з самовсмоктуючою мішалкою

До таких конструкцій належать: ферментатори системи Вальдгофа, ферментер з механічним перемішуванням і обертаючимись аераторами.

Ферментатори системи Вальдгофа застосовують повітрянорозподільчі системи (барботер, форсунки), а тому вимагають значної витрати повітря і електроенергії. Для більш економічної витрати повітря і енергії створені різні конструкції ферментерів з механічними циркуляційними системами аерації. У таких системах аерація середовища великими повітряними струменями замінюється розподілом повітря на найтонші струйки, що дозволяє поліпшувати процес аерації та економити витрату повітря.

Рис.6. Ферментер системи Вальдгофа

На рис.6. показана схема ферментеру системи Вальдгофа. Ферментер являє собою циліндричний вертикальний апарат, у центрі якого встановлений вертикальний циліндр 3 діаметром 1200 мм і висотою 3000 мм, який ділить ферментатор на внутрішню і зовнішню частини. Одночасно цей циліндр використовується як теплообмінник. У центрі ферментера також змонтований порожнистий вал 1 з електроприводом 2 діаметром 200 мм, до верхньої частини якого підводиться повітря. На іншому кінці вала у днища апарату установлено розподільна коробка, від якої відходять п'ять загнутих труб діаметром 70 мм і довжиною 650 мм, що утворюють сегнерове колесо 4.

При обертанні валу зі швидкістю 300 хв-1 повітря виходить з відкритих торцевих отворів цих труб і змішується з рідиною, що знаходиться в ферментаторі. В апараті створюється посилена циркуляція дріжджової бражки: в центрі ферментатора (всередині циліндрів) відбувається рух середовища зверху вниз, а у зовнішній зоні - знизу вгору. Суспензія, що знаходиться в цій зоні, забезпечується повітрям, що поступає з піною з вертикального циліндра. У процесі такого змішання повітря зі зростаючою культурою утворюється емульсію. У ферментерах системи Вальдгофа відсутні піногасники.

2.2.3 Ферментер горизонтального типу конструкції ЛенНІІхіммаша

Ферментатор (рис.7.) являє собою замкнуту систему з двох горизонтально розташованих труб 4 з герметичними приводами 2 гвинтового перемішують і сепаратором 1 для механічного піногасіння.

Рис.7. Ферментер горизонтального типу конструкції ЛенНІІхіммаша

Корпус ферментера зібраний з окремих секцій, з'єднаних між собою за допомогою фланців. Кожна секція устаткована сорочкою. На одній із секцій ферментера розташований герметичний електропривод з гвинтовим перемішуючим пристроєм. Усередині ферментера у двох секціях змонтований пластинчатий заспокоювач 5, що представляє собою набір тонких вертикальних пластин, розташованих вздовж потоку середовища по всій висоті секції. За допомогою пластинчатого заспокоювача турбулентний рух середовища переходить в ламінарний. Тут же відбувається часткове виділення газової фази з циркулюючої суміші. З заспокоювача середовище з великою кількістю піни надходить в сепаратор 1, всередині якого на кінці консольного валу приводу є диск, забезпечений радіальними лопатями. При швидкому обертанні диска створюється вихор, який розбиває піну, газ із сепаратора видаляється, а середовище з сепаратора повертається в ферментер.

З метою інтенсифікації процесів перемішування і регулювання витрачається на перемішування потужності ферментер обладнаний двома вбудованими дросельними клапанами 3. Поворотом дросельних заслінок регулюється лінійний опір потоку середовища і змінюється навантаження на гвинт приводу.

Швидкість потоку середовища в ферментері в залежності від кроку гвинта складає до 2 м / с.

Переваги горизонтального ферментатора порівняно з ферментером вертикального типу конструкції ЛенНІІхіммаша - менша металоємність і енергоємність, легка транспортабельна, що має особливо важливе значення для ферментерів великої ємності. Найбільш істотною перевагою ферментера горизонтального типу є значно менший перепад тиску, ніж у вертикальному, що сприятливо впливає на процес культивування мікроорганізмів.

Даний вид ферментатора призначений для вирощування кормових дріжджів. При повній герметизації апарату і при його виготовленні з нержавіючої сталі він може бути використаний для культивування мікроскопічних грибів, актиноміцетів і бактерій. Особливо перспективно його використовувати в разі культивування ферментосинтезуючих бактерій, причому ефективність використання такого ферментатора може бути значно збільшена в разі застосування збагачених поживних середовищ.

2.2.4 Колонні ферментери

Ці ферментери підрозділяються на ферментери колонного типу і ферментери без горизонтально акціонуючи пристроїв. Конструкції колонних апаратів відрізняються великою величиною відношення висоти до діаметра. Апарати вельми перспективні, оскільки відрізняються простотою конструкції, можливістю інтенсифікації процесів біосинтезу і великою одиничною потужністю.

До переваг конструкцій колонних апаратів відносяться також відсутність рухомих і обертових частин і мала установча площа.

До колонних ферментерів належать такі конструкції: струменеві ферментери, апарат конструкції Інституту мікробіології АН Латвійської ССР им. А. Кирхенштейна, ферментер з контактним пристроєм, апарат конструкції ВНІІ біотехніки.

Розлянемо принцип роботи такої установки на прикладі струменевого ферментеру.

У НДР розроблені ферментатори з інтенсивним масообміном об'ємом до 1000 м3, в яких використовується метод так званих затоплених струменів.

Ферментатор (рис.8.) працює таким чином. Відцентровий насос, що здійснює функції дегазації рідини, нагнітає рідину на вхід вертикального ферментера. Рідина стікає вниз уздовж стінок шахти у вигляді кільцевого потоку. На нижньому кінці шахти ферментера, що знаходиться на рівні поверхні рідинної суміші, первісний кільцевий турбулентний потік рідини звужується в поперечному перерізі труби і стікає з неї у вигляді струменів, при цьому створюється область зниженого тиску.

Через отвір в шахтній голівці в область зниженого тиску всмоктується повітря, утворюючи гомогенну суміш з рідиною. Аерована подібним чином рідина у вигляді вільнопадаючих струменів за рахунок запасу кінетичної енергії доходить майже до дна ферментера, створюючи інтенсивні поля турбулентності в культуральній рідині. Бульбашки газу, піднімаючись з дна ферментера до поверхні, знову проходять поля турбулентності, що утворюються від вільнопадаючих струменів.

За допомогою подібної системи аерації можна забезпечити постачання кисню в великих ферментерах об'ємом до 2000 м3, досягаючи високої інтенсивності перемішування.

При швидкості руху струменя в 8-12 м / с і постійному давши ¬ лении дисперсія повітря досить хороша. Імпульс вільно-падаючої струменя вибирається таким, щоб вміст ферментера завдяки інжекторних дії в зоні входу струменя, точковому русі у стінок апарату і переміщенню повітряних бульбашок інтенсивно перемішувалося. В струмені знаходяться повітряні бульбашки, які майже повністю доходять до дна ферментера, а при підйомі до поверхні руйнуються турбулентним полем.



Рис.8. Ферментатор струминного типу:

1 - вхід повітря; 2 - трубопровід відхідного повітря; 3 - шахтний водоскид; 4 - корпус; 5 - напірний трубопровід; 6 - всмоктувальний трубопровід; 7-циркуляційний насос.

У разі скорочення кількості циркулюючої рідини дисперсія повітря різко поліпшується і воно рівномірно розподіляється по всьому об'єму ферментера. Із збільшенням потоку циркулюючої рідини і зростанням витрат енергії швидкість газообміну лінійно зростає в широкому робочому діапазоні. Отже, процес аерації можна регулювати швидкість газопередачі. У ферментерах даної конструкції попотреба в енергії на захоплення повітря дуже мала і енергія циркуляційного потоку майже повністю забезпечує необхідну для масообміну турбулентність. При такому методі культивування є всі необхідні умови для інтенсивного масообміну в ферментаторі: висока турбулентність, хороша дисперсія повітря, велика тривалість перебування його в культурі і висока гомогенність середовища.

Циркуляційний насос є основним механічним двигуном всієї системи. Метод затопленого струменя особливо ефективний для процесів з високими швидкостями масообміну.

У разі каскадної компоновки ферментер або при внутрішньому поділі апарату великої ємності на 2-3 частини усі відсіки апаратів з'єднані за допомогою зливів, по яких циркуляційне середовище надходить з верхнього відсіку в нижній, кожен раз насичуючись при цьому киснем повітря.

Кількість циркулюючої рідини обмежена подачею перекачуючого насоса. При розташуванні в три поверхи кількість насосів, необхідних для одноповерхової установки з триразової висотою перекачування, скорочується в 3 рази. Утворена в процесі аерації піна також надходить вниз, тому піногасники пристрій змонтовано в нижній частині апарату. Відведення фізіологічного тепла здійснюється в спеціальному виносному теплообміннику.

Даний тип ферментерів складно застосовувати для культивування мікроорганізмів у стерильних умовах через труднощі герметизації циркуляційних насосів, придатних для стерилізації парою. Але такі його переваги, як простота пристрою, велика ємність, забезпечення інтенсивних аерації і масообміну без перемішують, роблять цю конструкцію перспективною в мікробіологічної промисловості.

2.2.5 Ферментатори з ежекційною системою аерації

Дані конструкції ферментерів застосовуються для культивування спеціальних штамів дріжджів на поживних середовищах, що містять рідкі парафіни.

До таких ферментерів належать: ферментатор Б-50, дріжжевирощувальний апарат АДР-76-900 для вирощування дріжджів на н-парафінах.

Ферментатор цієї конструкції Б-50 виконаний у вигляді вертикальної циліндричної ємності місткістю 800 м3 (коефіцієнт заповнення 0,4), розділеної на 12 секцій (рис.9.). Кожна секція забезпечена перемішуючими і аераційними пристроями. Ферментер обладнаний щілинними мішалками, що виконують одночасно функції перемішування рідкої фази і підведення аераційного повітря.

У процесі обертання щілинний мішалки на виході рідини створюється зона розрідження, в яку підсмоктується повітря.

Рис. 9.17. Ферментатор Б-50:

1 - кільцевий канал; 2 - повітропровід; 3 - піногасник; 4 - сепаратор; 5 - циліндр; 6 - привід; 7 - теплообмінник; 8 - дифузор; 9 - циліндричний стакан; 10 - ежекційний пристрій

При цьому він інтенсивно змішується з рідиною, насичуючи її киснем. Для відводу тепла, що утворюється при зростанні дріжджів, ферментер обладнаний змійовиками.

До недоліків ферментерів з ежекційною системою аерації відносяться вібрація валів апаратів, забруднення поверхні теплообміну і зменшення коефіцієнта тепловіддачі.

Однак ці конструкції ферментерів є в даний час самими продуктивними у вітчизняній промисловості.

2.2.6 Ферментер з інтенсивним масообміном

Даний ферментер сконструйований співробітниками ВНІІбіотехніки і НІІхіммаша.

Основною метою при конструюванні цього апарата було збільшення концентрації мікроорганізмів в культуральній рідині, поліпшення умов аерації і підвищення продуктивності.

Апарат (рис.10.) являє собою циліндричну ємність 17, усередині якої встановлений напрямний циліндр 2. Концентрично направляючому циліндру в ємності встановлені дві обичайки 4 і 18. Обичайка 18 прикріплена до днища і ділить ємність на дві камери: в камері 19 відбувається вирощування куль ¬ тури, а в камері 20 - додаткова утилізація вихідної сировини. Обичайка 4 встановлена ??із зазором у днища ємності. Усередині направляючого циліндра 2 верб просторі між стінкою ємності і обичайкою 4 розташовані вертикальні колектори 16 з прикріпленими до них пористими трубами 21. Пористі труби укріплені горизонтально в кілька ярусів. У просторі між направляючим циліндром 2 і обичайка 18 і 4 встановлені теплообмінники 1. Для підведення повітря до вертикальних колекторів камери 19 мається розподільний колектор 7, а камери 20 - колектор 5. У верхній частині ємності знаходиться обичайка 14 для прийому і осушки піни, усередині якої встановлені конічні тарілки 15.



Рис.10. Ферментер з інтенсивним масообміном

Вивід повітря з камери 19 здійснюється через газовідвідник 9. Над конічними тарілками 15 розташований механічний піногасник 12 з електроприводом 10. Поживне середовище подається в апарат через штуцер 3. Подача повітря в розподільні колектори 7 і 5 здійснюється через штуцера 6. Біомаса виводиться з апарату через штуцер 11, а повітря - через штуцера 8 і 13.

Апарат працює таким чином. Вихідну живильну суміш подають в камеру 19 через штуцер 3, а повітря - в апарат через штуцери 6. В камері 19 відбувається вирощування біомаси. Циркуляція і перемішування рідини здійснюються за рахунок ерліфта. З камери вирощування культуральна рідина перетікає через обечайку 12 в камеру 20, де відбувається додаткова утилізація сировини. Усередині камер 19 і 20 культуральну рідину аерують за допомогою пористих труб. Біомаса з камери виходить разом з пінною фазою, що утворюється у верхній частині камери. Потім піна піднімається по зазорах між конічними тарілками 15, звільняється від рідини і концентрується. Концентровану піну гасять механічним піногасником 12 і виводять з апарату через штуцер 11.

Вивід повітря з камери 19 здійснюється за допомогою газовідокремлювачів 9 через штуцер 8, а з камери 20 - через штуцер 13.

ВИСНОВКИ

Культивування мікроорганізмів - процес направленній на створення штучних умов для підтримки процесів життєдіяльності й розмноження мікроорганізмів іn vіtro. Із цією метою використають живильні (культуральні) середовища. Для одержання мікроорганізмів або продуктів їхньої життєдіяльності в промислових масштабах використають методи глубинного й безперервного культивування.

У загальному виді будь-який біотехнологічний процес включає три основні стадії: предферментаційну, ферментаційну й постферментаційну. Культивування біологічних об'єктів може здійснюватися в періодичному й проточному режимах, напівбезупинно з підживленням субстратом.

Конструкції обладнання для глибинного культивування досить різноманітні.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Основные процессы и аппараты химической технологии/ А.Г. Касаткин. Учебник для вузов. - 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. С изд. 1973г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004 - 753с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии/ Гельперин Н. И. . В двух книгах. - М.: Химия, 1981 - 812с., ил. - (серия «Основные процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии»).

3. Основные процессы и аппараты химической технологии/ Дытнерский Ю.И. . Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоритические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия. 1995. -400с.

4. Оборудование предприятий ферментной промышленности/ С.П. Колосков. 196г., стр. 383.

5. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии/ Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А.А. Учебное пособие для вузов/Под ред. Чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.

6. Оборудование микробиологических производств/Калунянц К.А, Голгер Л. И., Балашов В. Е. - М.: Агропромиздат, 1987. - 398с.: ил. - (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).

7. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств /под ред. В.Н. Стабникова. -К.: Вища школа.,1982. -199с.

8. Стабников В.Н. Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. -М.: Агропромиздат, 1985. -503с.

Сучасні Л,Д. Журнали, WWW,.

9. Service Manual Version 1.0 for LABFORS

10. medorex e.K. Industriestr. 2 Tor 1. Germany

Размещено на Allbest.ru