Лекция № 9. Ферментаторы для проведения микробиологического синтеза.

План лекции:

1) Ферментаторы для глубинного культивирования микроорганизмов на жидких питательных средах.

2) Ферментатор барботажного типа с механическим перемешиванием.

3) Ферментатор с пневматическим перемешиванием среды.

4) Ферментатор ФВО-40-0,6 с интенсивным массообменном.

1) Ферментаторами или культиваторами называют аппараты, предназначенные непосредственно для выращивания микроорганизмов.

Они являются без сомнений, основными аппаратами при микробиологическом синтезе и используются:

· как в многотоннажном (гидролизно-дрожжевом)

· так и в малотоннажном производстве.

Классифицируются они согласно ряду наиболее значимых признаков следующим образом.

1. По способу культивирования

1.1 Для глубинного культивирования на ЖПС.

1.2 Для поверхностного культивирования на ТПС.

2. По структуре цикла культивирования.

2.1 Непрерывного действия.

2.2 Периодического действия.

3. По стерильности.

3.1 Герметичные ферментаторы.

3.2 Не требующие строгой герметичности (или не герметичные ферментаторы)

4. По конструктивным особенностям герметичные аппараты делятся:

4.1 Ферментаторы с диффузором и мешалкой.

4.2 Ферментаторы с вращающимися аэраторами.

4.3 Ферментаторы с механическими мешалками.

4.4 Ферментаторы с наружным циркуляционным контуром.

4.5 Колонные ферментаторы.

4.6 Ферментаторы с эжекционной системой аэрации.

В этих ферментаторах для глубинного культивирования микроорганизмов на жидких питательных средах герметичность необходима для обеспечения стерильности процесса выращивания микроорганизмов.

Стерильность достигается путем:

- стерилизации паром самого аппарата, трубопроводов и датчиков приборов КИПиА;

- подачи в ферментатор питательной стерильной среды и чистой посевной культуры;

- подачи стерильного воздуха для аэрирования растущей культуры;

- подачи стерильного химического пеногасителя;

- поддержки стерильной воздушной или паровой защиты уплотнений валов перемешивающих устройств, технологической арматуры в течение всего процесса выращивания.

2) Ферментатор барботажного типа с механическим перемешиванием является одним из наиболее простых по конструкции и широко распространен в промышленности.

По конструкции представляет собой:

· вертикальный цилиндрический аппарат с эллиптической крышкой и днищем;

· объем корпуса данного ферментатора составляет 63,0 м³.

На крышке аппарата расположены:

- приводы перемешивающих устройств и механического пеногасителя;

- предохранительные устройства;

- а также штуцера для загрузки -

а) питательной среды;

б) посевного материала;

в) пеногасителя;

г) и штуцера подачи воздуха и в дальнейшем его вывода;

Кроме того, на крышке, а также самой обечайке устанавливаются:

д) смотровые люки;

ж) и люки для ввода моющей головки

Внутри аппарата по его центральной оси проходит вал с перемешивающими устройствами, состоящими:

- из одной открытой турбины (т.е. лопастной мешалки) установленной под барботером;

- и двух закрытых турбин диаметром 600 – 1000 мм и лопастями шириной 150 – 200 мм.

В качестве привода перемешивающего устройства используется мотор-редуктор.

Для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения в пределах 110 – 250 мин^-1 используется:

- либо тиристорный преобразователь частоты тока,

либо электродвигатель постоянного тока.

Рис. 9.1 Ферментатор с механической мешалкой. 1- электродвигатель; 2 – редуктор; 3- муфта; 4-подшипник; 5-сальник; 6-вал; 7-корпус; 8-турбиная мешалка; 9-змеевиковая теплообменник; 10-муфта; 11-труба подвода воздуха; 12-лопастная мешалка; 13-барботер; 14-винтовая мешалка; 15-опрный подшипник; 16-штуцер для спуска.

В нижней части аппарата установлен барботер, предназначенный для образования воздушных пузырьков.

Барботер выполнен в виде разборного ромба из перфорированных труб.

В верхней его части в шахматном порядке просверлены 2-3 тысячи мелких отверстий для прохода воздуха.

Аппарат оснащен также наружной водяной охлаждающей рубашкой, состоящей из 6 – 8 ярусов-секций.

Каждая секция состоит из восьми навитых опоясывающих каналов.

Каналы изготовлены из уголкового профиля размером 100х60 мм. Площадь поверхности охлаждения составляет 60 м².

Помимо наружной поверхности охлаждения существует и внутренняя поверхность охлаждения. Она состоит

· из змеевиков (9) диаметром 600 мм с числом витков 23

· при общей высоте 2,4 м

· и площади – 45 м² .

Ферментатор рассчитан для работы

· под избыточным давлением 0,25 МПа

· и стерилизации при t= 130-140^о С ,

· а также для работы под разряжением.

В процессе выращивания микроорганизмов давление внутри держится в пределах 50 кПа .

Высота столба жидкости в аппарате составляет порядка 5-6 м.

3) К ферментаторам с пневматическим перемешиванием среды относятся аппараты внешне похожие на ферментаторы с механическим перемешиванием среды, но в них отсутствует механические перемешивающие устройства.

Аэрирующим устройством является диффузор (9), выполненный в виде цилиндра с раструбом у основания, вмонтированный внутрь ферментатора.

Аэратор (2) т.е. распыливающее устройство, смонтирован по осевой линии аппарата.

Воздух под давлением вводится в аэратор по касательной к окружной розетке:

· с помощью направляющих лопаток,

· за счет чего придается вихревое движение воздушно- жидкостной эмульсии.

Эмульсия непрерывно циркулирует по внутреннему замкнутому контуру:

- вначале, через верхние кромки цилиндра,

- далее через кольцевое пространство между внутренней стенкой аппарата и внешней стороной аэратора,

- а затем вновь поднимается вверх через раструб.

Помимо этой конструкции есть также:

· ферментаторы шаровые с пневматическим перемешиванием (аппарат имеет форму шара)

и ферментаторы с форсуночным подводом воздуха.

4) Достоинством ферментатора ФВО-40-0,6 с интенсивным массообменном является то,

· что в нем достигаются большие линейные скорости движения среды (до 2-3 м/с);

при этом концентрация и температура среды практически одинаковы по всему объему аппарата.

Рис. 9.2. Ферментатор с пневматическим перемешиванием 1- штуцер для слива; 2 - аэратор; 3 - змеевики; 4 - люк; 5 - штуцер подачи воздуха; 6- штуцер отвода воздуха; 7 - штуцер загрузки; 8 – лестница; 9 - диффузор; 10 - рубашка; 11 - корпус; 12 - труба передавливания.

Этот ферментатор отличаются от обычных аппаратов с турбинным перемешиванием тем, что внутри находится полый цилиндр (диффузор).

В центре диффузора находится вал с перемешивающим устройством.

Благодаря этому в аппарате создается внутренний циркуляционный контур.

Внутри корпуса (7) ферментатора расположены:

- перемешивающее устройство (8);

- циркуляционная труба;

- аэратор;

- теплообменная камера (5);

- патрубки для ввода питательной среды, воздуха;

- вывода выращенной культуры (13)

Рис. 9.3. Ферментатор с интенсивным массообменом. 1-труба для подвода; 2-герметичный привод; 3-крышка; 4-пеногасящее устройства; 5-вставка с теплообменной камерой; 6-воздушной короб;7-корпус; 8-перемешивающее устройства; 9-потрубок для ввода воды; 10-электродвигатель; 11-шкив; 12-клиноременной передача; 13- разгрузочное устройства; 14-потрубок для отвода воды; 15-трубки теплообменника; 16-потрубок для отвода воздуха; 17-потрубок для пеногасителя.

- и отвода отходящих газов (16).

Перемешивающее устройство изготовлено в виде винта. Над винтом и под винтом расположены направляющие лопатки.

Циркуляционная система ферментатора включает:

- эжектор, подключенный к нижней части аппарата,

- насос и трубопроводы.

Циркуляционная труба выполнена в виде трубчатого теплообменника, состоящего:

- из верхнего коллектора, внутри которого расположены в диаметральной плоскости две глухие перегородки

- и нижнего коллектора без перегородок.

Теплообменные трубы, расположенные между коллекторами, сообщаются с ними и соединены между собой перемычками.

Теплообменная камера жестко закреплена в подставке с двумя фланцами и может быть легко извлечена для ремонта.

Механический пеногаситель (4) смонтирован на крышке ферментатора (3).

На этой же крышке смонтирован привод пеногасителя и расположены четыре люка для механической мойки аппарата.

Движение винта осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу с частотой вращения 280 и 350 об/мин.

С целью обеспечения герметичности и стерильности процесса культивирования на валу перемешивающего устройства расположено торцевое уплотнение.

Механическое пеногасящее устройство закреплено на валу привода с помощью полой втулки, через которую отводится отделенный от жидкости газ.

Механическое пеногасящее устройство состоит из блока конических дисков с ребрами.

С целью наблюдения за процессом культивирования микроорганизмов на корпусе расположены шесть смотровых окон.

Аппарат рассчитан для работы под давлением до 0,3 МПа.

Работа аппарата происходит следующим образом:

- вначале аппарат стерилизуют паром;

- затем охлаждают и заполняют питательной средой.

- после этого приводят в действие перемешивающее устройство, которое осуществляет циркуляцию среды по замкнутому контуру;

- стерилизованный воздух, нагнетаемый компрессором, подается непрерывно через аэратор в пространство между корпусом и циркуляционной трубой;

- он (воздух) увлекается потоком жидкости, дробится на мелкие пузырьки и интенсивно перемешивается со средой образуя квазигомогенную смесь;

- вращательное движение среды создается в циркуляционной трубе при помощи лопаток, за счет чего образуется центральный вихрь с повышенным газосодержанием.