Весовые дозаторы иногда называют весами.

Они применяются в основном для финишных, т.е. завершающих операции по расфасовке полученных продуктов.

Весы бывают:

А) с ручным,

Б) полуавтоматическим

В) и автоматическим управлением.

В микробиологической промышленности используются в основном следующие конструкции весов: ВАД –1- 342; ВА – 3 – Вп; ВА –3 – Ша.

Кроме того, в биотехнологии используются автоматические весовые дозаторы.

Все эти автоматические дозаторы устроены одинаково.

Рассмотрим принцип действия и схему одного из этих дозаторов.

Дозатор ДК-10 состоит:

- из тарельчатого питателя 1;

- ковша для сыпучего продукта с опрокидывающимся дном 2;

- первого горизонтального грузоподъемного рычага 3;

- первой вертикальной тяги 4;

- второго горизонтального грузоподъемного рычага 5;

- второй вертикальной тяги 6;

- циферблатного механизма с сигнализаторами 7

а) нулевого; б) грубого; и в) точного отвесов.

Лекция № 5. Оборудование для стерилизации питательных сред.

План лекции:

1) Классификация способов и оборудования.

2) Стерилизаторы твердых питательных сред.

3) Двухступенчатые стерилизаторы горизонтального и вертикального типа.

4) Стерилизатор вибрационного типа непрерывного действия.

5) Высокочастотный стерилизатор.

1) Процесс разрушения или уничтожения посторонней микрофлоры называется стерилизацией.

Аппараты для стерилизации классифицируются по ряду признаков.

I. Первым, из них является вид среды и способ стерилизации.

Для твердых питательных сред используются:

· Тепловые способы.

· Холодные способы.

К тепловым способам стерилизации относятся:

а) стерилизация водяным насыщенным паром при вакууме, атмосферном и избыточном давлении;

б) стерилизация инфракрасными лучами;

в) стерилизация электронагревом;

г) стерилизация посредством ВЧ нагрева и СВЧ нагрева.

-

II. По структуре рабочего цикла стерилизаторы могут быть:

а) непрерывного; и б) периодического действия.

III. По конструктивному исполнению стерилизаторы для твердых питательных сред могут быть:

1. Горизонтальные одноступенчатые.

2. Горизонтальные двухступенчатые.

3. Совмещенные двухступенчатые с одной вертикальной и второй горизонтальной ступенью, а также и др.

Во всех этих стерилизаторах используется насыщенный водяной пар.

Следует отметить, что стерилизация паром является наиболее простой и наиболее экономичной.

Пар обладает рядом хороших свойств:

- легкость транспортировки;

- способность проникновения в труднодоступные места, особенно соединительных трубопроводов и арматуры;

- большая теплоотдача;

- не токсичность и т.д.

Жидкие питательные среды также стерилизуются паром в установках непрерывного действия типа УНС, «Де-Лаваль» и пр.

2) К твердым питательным средам (ТПС) относятся пшеничные отруби, свекловичный жом, сахарная меласса, солодовые ростки, биошрот и т.п.

Одним из аппаратов, предназначенных для их стерилизации, является стерилизатор конструкции ВНИИЭКИпродмаша (Рис. 7.1).

· Стерилизатор снабжен горизонтальным цилиндрическим корпусом 1 с двумя эллиптическими торцевыми стенками.

· Внутри корпуса установлены мешалка в виде двух параллельных горизонтальных валов 2 с наклонно поставленными радиальными лопастями 3.

· Валы опираются на две вертикальные стойки 4, в которых установлены подшипниковые опоры валов.

· Валы мешалок периодически по заданному автоматическому циклу получают вращение от привода, размещенного вне корпуса.

· Радиальные лопасти мешалки 3 обладают возможностью изменения угла поворота относительно оси валов.

· Это позволяет устанавливать оптимальный радиальный зазор между лопастями и внутренними стенками аппарата.

· Направление вращения валов разное, это позволяет хорошо перемешивать твердые питательные среды внутри стерилизатора.

· При этом среда перемещается в двух противоположных направлениях, двигаясь от одного торца аппарата к другому.

· В верхней части корпуса аппарата установлен люк для загрузки среды 5.

· Пространство между нижней частью наружного цилиндрического корпуса аппарата и внутренним днищем 6, выполненным в виде двух криволинейных поверхностей, служит пароводяной рубашкой 7.

· Радиус двух полуцилиндрических поверхностей внутреннего днища соответствует радиусам радиальных лопастей.

· В паровую рубашку подается пар давлением до 0,2 МПа. За счет этого поддерживается заданная температура стерилизации.

· Помимо всего прочего стерилизатор укомплектован:

- штуцерами для подвода и отвода пара и конденсата,

- приборами регулирования температуры, давления

- и предохранительным клапаном.

Рис. 5.1. Аппарат для стерилизации ТПС конструкции ВНИИЭКИПродмаша.

Для этого стерилизатора характерны следующие технические параметры:

- Единовременная загрузка составляет 400 кг.

- Производительность до 2000 кг/сутки.

- Число оборотов мешалки – 15 об/мин.

- Мощность двигателя – 10 кВт.

- Время цикла обработки – 3 - 4 часа.

3) Двухступенчатый стерилизатор горизонтального типа состоит из двух горизонтальных цилиндрических ступеней 1 и 2, между которыми расположен вертикальный емкостной выдерживатель 3.

· Ступени состоят из трех последовательно соединенных горизонтальных труб – секций, общей длиной около 7 м.

· Каждая секция имеет пароводяную рубашку 4 давление пара, в которой – до 0,6 МПа.

· Внутри ступеней установлены валы с косо поставленными лопатками 5. Частота вращения вала до 0,1 с^-1 (т.е. 6,0 об/мин).

· Компоненты сыпучей твердой питательной среды перемещаются наклонно поставленными лопастями и одновременно стерилизуются.

· Особенностью верхней ступени является то, что, она оснащена тормозными лопатками (повернутыми в противоположную сторону).

· Они установлены через каждые 5-6 направляющих лопаток.

· Благодаря этому происходит медленное перемещение и хорошее перемешивание среды, что способствует её равномерному нагреву.

· Из верхней ступени среда поступает в выдерживатель, который представляет собой цилиндрический, вертикальный аппарат.

· Днище выдерживателя выполнено коническим и под ним установлен шлюзовой дозатор.

· Внутри выдерживателя установлена мешалка.

· Здесь стерилизованная выдержанная ТПС находится около 60 – 90 минут.

· Из выдерживателя среда поступает в нижнюю ступень, которая по конструкции не отличается от верхней.

· В этой ступени происходит доувлажнение, охлаждение и засев стерильной среды посевной культурой.

Двухступенчатый стерилизатор вертикального типа предназначен для сыпучих ТПС (пшеничные отруби). Стерилизатор состоит из двух ступеней, причем первая ступень является вертикальной.

Вертикальная часть стерилизатора представляет собой цилиндрическую обечайку 1 с наружной тепловой рубашкой и коническим днищем.

Внутри вертикального аппарата имеется мешалка 2 с лопастями установленными горизонтально. Шаг между лопастями выбран так, что среда может свободно пересыпаться сверху вниз.

Лопасть 3 имеет форму клина и представляет собой перфорированную трубку, к которой спереди приварены две плоскости, причем:

- одна плоскость – нижняя расположена перпендикулярно оси вала мешалки,

- а верхняя плоскость расположена наклонно к оси вала.

Соответственно, при вращении мешалки:

- нижняя плоскость лопасти движется параллельно поперечному сечению аппарата;

- верхняя плоскость лопасти образует наклон, по которой перемещается среда.

Таким образом, лопасть как клин вклинивается в продукт, она имеет малое лобовое сопротивление и не прессует продукт.

4) В состав стерилизатора вибрационного типа непрерывного действия входит (рис. 5.2):

- загрузочный бункер 1;

- прямоугольный горизонтальный корпус 2, снабженный теплоизоляционным слоем;

- горизонтальный, герметичный прямоугольный желоб 3, установленный внутри корпуса;

- трубчатые электрические нагреватели для нагрева среды 4 (муфели);

- трубы для разбрызгивания стерильной воды 5;

- штуцеры для подачи посевной культуры 6;

- штуцер для выгрузки стерильной среды 7;

- и эксцентриковый вибратор 8 с электродвигателем, расположенный в средней части аппарата (на схеме не показан).

Рис. 5.2. Схема вибрационного стерилизатора.

Желоб стерилизатора по длине разделен на три части:

- загрузочную;

- стерилизационную;

- и посевную.

Загрузочная часть выполняет функции дозатора.

Стерилизационная часть располагается в первом муфеле:

· здесь происходит нагрев и стерилизация среды при температуре 130 –140 ⁰С.

Посевная часть располагается в другом муфеле.

Здесь происходит:

· увлажнение среды при добавлении холодной стерильной воды,

· а также засев твердой питательной среды и перемешивание.

Вибростерилизатор работает следующим образом:

- пшеничные отруби из бункера поступают в загрузочную часть;

- с помощью регулирующей шиберной заслонки они равномерно рассыпаются по лотку;

- дозирование отрубей регулируется частотой колебаний, сообщаемых вибратором;

- отруби перемещаются по лотку установленному с небольшим уклоном, за счет колебаний последнего;

- твердая питательная среда, проходя стерилизационную часть, стерилизуется за счет тепла передаваемого радиацией от муфелей;

- в засевной части аппарата происходит охлаждение среды водой поступающей в змеевик и стерильной холодной водой предназначенной для увлажнения среды;

- после охлаждения в аппарат подается дозированное количество конидии гриба и за счет колебаний, непрерывно сообщаемых лотку-желобу вибратором, происходит интенсивное перемешивание среды.

5) Высокочастотный стерилизатор состоит из двух ступеней. Первая ступень представляет собой стерилизационную экранированную камеру, снабженную бункером с роторным дозатором для загрузки среды.

Внутри камеры установлены:

· термоустойчивый ленточный транспортер, высокочастотный генератор,

· плоскопараллельный конденсатор одна пластина, которого находится под, а вторая над лентой транспортера,

· бактерицидные лампы БУВ-30.

Вторая ступень стерилизатора представляет собой двухсекционный шнековый транспортер с дозаторами стерильной воды и посевной культуры.

Кроме того, внутри камеры установлены приводы ленточного и шнекового транспортеров.

Работа стерилизатора происходит следующим образом:

- питательная среда загружается в бункер и равномерным слоем (30 мм) поступает на ленту транспортера;

- перемещаясь в зону высокочастотного электромагнитного поля создаваемого генератором между пластинами плоскопараллельного конденсатора, среда нагревается до температуры стерилизации;

- возникновение спонтанной микрофлоры в питательной среде исключается за счет излучения бактерицидных ламп;

- при выходе из зоны нагрева среда начинает охлаждаться и затем ссыпается в бункер второй ступени стерилизатора, которая представляет собой шнековый транспортер;

- здесь происходит охлаждение и увлажнение твердой питательной среды.

Высокочастотный стерилизатор имеет ряд преимуществ по сравнению с паровыми стерилизаторами твердых питательных сред:

- нагрев происходит очень быстро (скорость нагрева в 18 –20 раз быстрее);

- время стерилизации в 12 – 30 раз сокращается в сравнении с паровыми.

Таковы основные разновидности стерилизаторов для стерилизации ТПС перед культивированием.

Лекция № 6. Оборудование для стерилизации воздуха.

План лекции:

1) Основные сведения о процессе фильтрации воздуха.

2) Фильтрующие материалы.

3) Фильтры для биологической очистки воздуха.

4) Парные автоматизированные фильтрующие комплексы.

1) В биотехнологии очень высокие требования предъявляются к чистоте воздуха.

Воздух, подаваемый для аэрации в ферментаторы не должен содержать постороннюю микрофлору.

Помимо посторонней микрофлоры в воздухе содержится и пыль. Концентрация пыли в воздухе обычно от 5 до 100 мг/м³.

Очистка воздуха осуществляется за счет его фильтрации.

Фильтрация воздуха и есть его стерилизация, поскольку отфильтрованный воздух становится стерильным, т.е. безопасным в микробиологическом отношении.

Для фильтрации воздуха используются многоступенчатые фильтрующие комплексы.

Это связано с тем, что посторонние частицы, витающие в воздухе весьма полидисперсны.

Такой комплекс состоит (рис. 6.1):

Рис. 6.1. Схема комплекса по очистке воздуха, подаваемого в ферментатор. 1- заборник воздуха; 2-ячейковый фильтр предварительной очистки; 3 – компрессор; 4 – теплообменник; 5 – брызгоуловитель; 6 – ресивер; 7 – теплообменник; 8 – головной фильтр; 9 – фильтр грубой очистки; 10 – фильтр тонкой очистки.

- из фильтров предварительной очистки воздуха от пыли содержащей частицы размером до 150 мкм;

- компрессора для нагнетания воздуха;

- теплообменника;

- каскада биологических фильтров.

Работает система очистки следующим образом.

Воздух перемещается по всей системе очистки с помощью компрессора 3.

Предварительно воздух проходит через заборник 1 и ячейковый фильтр предварительной очистки 2, где очищается от механической пыли.

В компрессоре 3 воздух сжимается. В результате сжатия воздух нагревается. В связи с этим его необходимо охладить. Поэтому воздух поступает в кожухотрубный теплообменник 4, после чего через брызгоуловитель 5 попадает в ресивер 6.После ресивера воздух вновь охлаждается в кожухотрубном теплообменнике 7, а затем последовательно проходит через три фильтра биологической очистки 8, 9, 10.

2) Внутри фильтров используются фильтрующие материалы в основном двух типов: пористые и насыпные.

Пористые материалы делятся на четыре группы:

- 1. Волокнистые и не тканные.

- 2. Бумаги и картоны.

- 3. Спеченные керамические и порошковые зернистые материалы.

- 4. Пористые мембраны-пленки.

В фильтрах грубой предварительной очистки используются в основном материалы первой группы, т.е. волокнистые и не тканные.

По структуре они представляют собой как бы многослойные частично перекрываемые сетки.

В качестве волокнистых материалов используются:

а) стекловата с диаметром пор до 21,0 мкм;

б) стеклосрезы с диаметром пор до 6,0 мкм;

в) базальтовые волокна с диаметром пор до 26,0 мкм;

В качестве не тканных используются такие синтетические материалы как:

а) лавсан с диаметром пор до 17,0 мкм;

б) полипропилен (до 6 – 8 мкм);

в) поливинилхлорид (до 14 – 17 мкм), а также ряд других материалов.

В фильтрах грубой предварительной очистки используются также и материалы из третьей группы, т.е. пористые и керамические материалы на основе:

а) порошковой нержавеющей стали (диаметр пор до 9 – 10 мкм);

б) порошкового титана (12 – 16 мкм).

В фильтрах тонкой очистки используются материалы из всех четырех групп, однако, диаметр пор намного меньше, чем у тех же материалов для фильтров предварительной очистки.

Так, например, в качестве волокнистых материалов используется:

- супертонкое стекловолокно (диаметр пор 2,5 – 3,0 мкм);

- базальтовое супертонкое волокно (1,0 мкм);

- базальтовое ультратонкое волокно (0,7 мкм);

- синтетические волокна (1,4 мкм).

Из второй группы материалов, т.е. из бумаги и картонов используются:

- бумага из минеральных волокон; - картон.

Из третьей группы используются:

- пористые материалы из порошка пластмасс (фторопласт);

Из четвертой группы: пористые ацетат-целлюлозные мембраны.

Достоинства фильтров изготовленных из материалов первой группы – относительная дешевизна и химическая инертность.

Недостатки – изменение конфигурации фильтрующих каналов в процессе эксплуатации.

Спеченные зернистые материалы имеют:

- контролируемую структуру,

- химическую инертность,

- легко поддаются любым методам стерилизации,

- относительно дешевы и просты в изготовлении.

Фильтры для предварительной очистки воздуха используются для очистки воздуха от грубой пыли.

По конструкции представляют собой ячейковые фильтры, заполненные различными фильтрующими материалами.

3) Очистка воздуха от микроорганизмов производится на фильтрах биологической очистки, которые называют глубинными фильтрами.

Существует ряд конструкции этих фильтров. Один из таких фильтров называется емкостной глубинный фильтр.

Он представляет собой цилиндрическую обечайку 1, внутри которой установлены перфорированные решетки 2.

Верхняя решетка винтом 3 поджимает все остальные решетки.

На этих решетках укладывается слой фильтрующего материала 4 в виде стекловолокнистых и волокнистых материалов из супертонких и ультратонких базальтовых волокон.

Корпус фильтра снаружи снабжен паровой рубашкой 5. Плотность укладки стекловолокнистых материалов составляет от 100 до 500 кг/м³. Эффективность очистки воздуха составляет до 99, 999 %.

Кроме данных фильтров используются и другие конструкции, например, кассетный фильтр (рис. 6.2).

Кассетный фильтр состоит из двух фланцев, между которыми на двух шпильках зажаты 18 фильтрующих перегородок-кассет.

Следующая конструкция – т.н. совмещенный фильтр. Он представляет собой по конструкции:

- стальной корпус в виде цилиндра со сферическим или плоским днищем и разъемной крышкой;

- внутри цилиндра расположены цилиндрические сетки;

- между этими сетками укладывается фильтрующий материал;

- причем вначале укладывается слой стекловолокна, а снаружи слой чесаного хлопка;

Рис. 6.2. Схема глубинного емкостного фильтра.

- цилиндрический корпус снабжен паровой рубашкой;

- при диаметре фильтра в 500 мм в него загружают 0,5 кг стекловолокна и 10 кг хлопка;

- стекловата служит как фильтр предварительной очистки, а хлопок – как фильтр тонкой очистки;

- таким образом, в одном аппарате осуществляется двухступенчатая очистка воздуха;

- после окончания очистки фильтр стерилизуется паром в течение 2-х часов.

Существуют также фильтры с тканью Петрянова, фильтры с применением фторопластовых материалов.

4) Парные автоматизированные фильтрующие комплексы работают в основном на основе фильтрующих металлокерамических элементов полученных методом порошковой металлургии.

Эти материалы являются относительно новыми для стерилизующего фильтрования.

В отличии от волокнистых и нетканных материалов спеченные зернистые материалы:

- имеют неизменную структуру,

- химически инертны,

- без затруднений поддаются любым методам стерилизации,

- отличаются высокой прочностью,

- относительно дешевы и просты в изготовлении.

Фильтрующие металлокерамические элементы используются как для грубой, так и тонкой биологической очистки воздуха. Кроме того, их можно использовать для очистки отработанного воздуха удаляемого из других аппаратов.

Зернистая структура металлокерамических элементов обуславливает периодическое сужение и расширение сквозных пористых каналов. В результате при движении воздуха скорость движения его то возрастает, то убывает.

При движении воздуха через материал фильтра в нем с ультразвуковой частотой или близкой к ней по величине возникают последовательные расширения и сжатия, т.е. происходит самовозбуждение ультразвуковых колебаний.

Для изготовления фильтрующего элемента выбирают наиболее мелкозернистый порошок с таким расчетом, чтобы при достаточной протяженности фильтрующей стенки число расширений и сжатий потока воздуха превысило 16000 с^-1.

Отличительной особенностью парных автоматических фильтрующих комплексов является гарантированная микробиологическая надежность очистки и полная автоматизация их работы.

Применение в промышленности этих комплексов позволит:

- снизить эксплутационные расходы,

- повысить ресурс оборудования,

- и самое главное, решить вопрос о защите окружающей среды от микробиологического загрязнения.

Принципиальное устройство парных автоматизированных комплексов следующее:

- основу парного комплекса составляют два фильтра для воздуха 1 (правый и левый);

- каждый из фильтров имеет цилиндрический вертикальный корпус (нередко с паровой рубашкой);

- внутри корпуса фильтра на трубной решетке размещены фильтрующие патроны, укомплектованные металлоэлементами;

- комплекс оснащен также паровым фильтром; и установлен на раме, изготовленной из металлопроката;

- рама оснащена лестницей расположенной сбоку (на схеме не показана) и площадкой обслуживания с ограждением, расположенной в верхней части рамы;

- кроме того, в состав комплекса входят трубопроводы для воздуха и пара, воздушные клиновые задвижки с электроприводом, паровые вентиля и воздушный ресивер расположенный между фильтрами.

Лекция № 7. Оборудование для экстрагирования, отжима, фильтрования и флотации.

План лекции:

1) Экстракция. Классификация экстракторов.

2) Диффузионные батареи.

3) Экстракторы.

4) Прессы.

5) Оборудование для фильтрации жидких неоднородных систем.

6) Флотаторы.

1) Экстракцией или диффузией называется процесс извлечения одного или нескольких компонентов из сложного по составу вещества.

Например, в быту, при заваривании чая некоторые компоненты из заварки переходят в напиток.

Или, например, с помощью какого-то органического растворителя (ацетона) можно извлечь жир из костной ткани.

В биотехнологии экстрагирование используется для извлечения:

1. Ферментов из культур грибов.

2. Моносахаридов из твердой фазы после гидролиза полисахаридов.

3. Микробного жира из биомассы дрожжей и т. п.

Процесс экстрагирования характеризуется законом Фика:

G = k·F·Δ·τ/δ (1)

G – количество перешедшего вещества, кг;

k – коэффициент диффузии;

F – площадь диффузии, м²;

Δ – изменение концентрации по толщине слоя;

τ – время диффузии или экстракции;

δ – толщина слоя.

По структуре рабочего цикла бывают:

А) Экстракторы периодического действия.

Б) Экстракторы непрерывного действия.

Экстракторы периодического действия используются в основном в малотоннажном производстве.

В многотоннажном производстве используются экстракторы непрерывного действия.

По конструкции они различаются следующим образом:

1. Диффузионные батареи.

2. Колонные экстракторы горизонтального и вертикального типов.

3. Экстракторы роторного типа.

Экстракторы непрерывного типа.