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 керування, 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 максимального 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 межах 5 – 10м/с.

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.

В процесі росту культури постійно виникає нерівномірність розподілення в середовищі 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, особливо для ферментерів об’ємом 4 – 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 з 10 поясів. Аераційна система представлена трубою та коробами, що прокладені на дні ферментера. Для миття коробів змонтовано сопло.

Пластинчата аераційна система апаратів ВДА складається з 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 барботажних ферментерів є невисокий рівень швидкості розчинення кисню (1-2 кг/м³год). Основною причиною цього є низький рівень макро- і мікро 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 при яких частота поновлення поверхні фазового контакту максимальна, збільшення часу перебування газової фази в рідині

Серед ферментерів з контактними елементами найбільш відомі барботажні колоні з ”затопленими” тарілками. Тарілки можуть бути різних конструкцій, але їх поєднує те, що вони забезпечують формування та перерозподіл потоків газу та рідини. На (рис.1, а – и) схематично показаний рух потоків газорідинної дисперсії в апаратах з різними контактними елементами.

Найбільш простим типом контактних елементів є тарілка, яка перфорована круглими отворами які перекривають всю площу перерізу апарата (рис. 1, б) можливе ярусне розташування тарілок по висоті апарата.

Конструкції з переливними стаканами представлені на (рис.1, з, и).

Перспективними визнані конструкції апаратів яких комбіновані контактні газорозподілюючі пристрої і вмонтовані теплообмінники (е, ж, з рис. 1)

Ферментери барботажно-ерліфтного типу застосовують для отримання мікробного білку. Апарат представляє собою вертикальну циліндричну місткість 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 дифузор-теплообмінник. 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 висоту 12-15м,піна в них піднімається на 10-12м.Монолітний стовп рідини має 3,5-4,5м

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

Ерліфтно-периферійний ферментер. Апарат складається з циліндричного корпуса в середині якого концентрично розташовані два дифузора-теплообмінника.

В центрі апарата розташована труба для підведення повітря, яка спирається на повітророзподільний пристрій, який утворює кільцевий зазор між стінкою та дном ферментера через який виходить повітря. В нижній частині труби розташовані отвори для виходу повітря в центральний дифузор. Для додаткового охолодження використовують систему зовнішнього зрошення. Нагріта вода збирається в кільцевому кармані. Ферментер відрізняється помірними витратами на аерацію високою експлуатаційною надійністю, низькими експлуатаційними витратами. До недоліків відноситься низький рівень масопередачі кисню, (_La=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 в 12 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 займає газліфтний 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 провальних тарілок. Контактні елементи забезпечують диспергацію взаємодіючих фаз, оновлення поверхні фазового контакту, створюють циркуляційні потоки газорідинної дисперсії. Схема руху потоків культуральної рідини представлена.

Технічна характеристика газліфтного ферментера місткістю 100 м³.

Об’єм, м³ 100

Коефіцієнт заповнення, % 70

Витрати повітря, м³/год 2250-6650

Площа поверхні теплообміну, м² :

сорочки 75

змійовиків 116

Потужність електродвигуна привода піногасника, кВт 13

Число обертів привода піногасника, с^-1 12

Габаритні розміри, мм 3992  3560  15460

Маса, кг 43000

Рис.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 насадкою колонний: 1 – рубашка, 2 – тарілка, 3 – насадка, 4 – корпус;

и – Ферментер трубчастий: 1 – піногасник, 2 – ємність, 3 – труби, 4 – корпус, 5 – розподільна перетинка;

к – Ферментер газліфтний пульсаційний: 1 – клапан, 2 – корпус, 3 – аератор, 4 – дифузор-теплообмінник.

Рис. 3 . Апарат для вирощування дріжджів ВДА-100:

1 — резервуар; 2 — смотрове вікно; 3 — освітлювач; 4 — муфта; 5 — чотирьохходовий кран; 6 — шланг; 7 — витяжна труба; 8 — циліндр; 9 — шток; 10 — заслінка; 11 — гідрозатвір; 12 — колектор для відводу води; 13 — розподільні короби; 14 — балка; 15 — стійка; 16 — сопло; 17 — труба для подачі повітря; 18, 21 — люки; 19 — колектор для подачі води; 20 — охолоджуюча сорочка; 22 — засувка; 23 — ко­лектор; 24 — труба для відводу культуральної рідини; 25 — мірне скло

Рис. 4. Апарат для вирощування дріжджів системи Лефрансуа—Марійе:

1 — корпус; 2 — дифузор; 3 — кювета

Рис. 5 Апарат для вирощування дріжджів з аерліфтною системою повітрярозподілення

Рис. 6. Апарат для вирощування дріжджів — ферментер місткістю 1300 м³: 1 — корпус; 2 — газовід; 3,4,5 — штуцери для подачі поживного та аміачного середовищ та засівних дріжджів; 6 - відбійник; 7 – циркуляційні дифузори; 8 — кювета

Рис. 7. Ферментер системи УкрНИИСПа:

1 — циркуляційна труба; 2 — відбивачі; 3 — повітрепідвід; 4, 5 — колекто­ри для води; 6 — корпус; 7 — повітрерозподілювач; 8 — колектор повітря; 9 — колектор рентабельного середовища

Крім базового показника – способу введення енергії, ці ферментери поєднує той факт, що вони призначені для широкого спектру технологічних процесів (їх поєднує універсальність). До специфічної особливості треба віднести те, що на стадії промислового біосинтезу такі ферментери мають значний геометричний об’єм (від 150 до 1300м³).

Переваги у порівнянні з іншими простота оформлення, технологічна простота.