Конструкции ферментеров для аэробного культивирования микроорганизмов на жидких средах

В качестве основного ферментационного оборудования рассмотрим наиболее интересные и практически реализуемые конструкции аппаратов. Наибольший практический интерес, учитывая их высокую интенсивность и производительность, проедставляют ферментеры для глубинного культивирования, и в частности более сложные по своим функциям – аппараты для аэробных микробиологических процессов.

Ферментер для культивирования микроорганизмов глубинным способом с использованием жидкофазных питательных сред – наиболее специфичный аппарат микробиологического производства. Основными требованиями к таким ферментерам являются обеспечение в культуральной жидкости заданной концентрации растворенного кислорода, отвод диоксида углерода, создание однородного поля концентраций компонентов культуральной жидкости, обеспечение тепло-массообменных процессов, требуемых для роста и развития микроорганизмов.

5.3.1 Аппараты с подводом энергии к газовой фазе

К этой группе аппаратов относятся широко распространенные в микробиологической промышленности барботажные и эрлифтные ферментеры. Перемешивание и аэрация среды в них происходит за счет хорошо организованной эрлифтной циркуляции жидкости. К ним относятся барботажные, барботажно-эрлифтные с контактными устройствами и колонные ферментеры.

Барботажные ферментеры – это вертикальные емкости цилиндрической формы, на дне которых располагаются барботеры. Скорость подвода газа к жидкости подбирают так, чтобы он поднимался в виде отдельных пузырьков. Основной недостаток барботажных ферментеров – неравномерность распределения микроорганизмов и компонентов питательной среды. Поэтому барботажные аппараты хорошо применять в качестве инокуляторов и посевных аппаратов небольших объемов.

В барботажно-эрлифтных аппаратах над барботером расположен диффузор в виде полого цилиндра. Частично дезаэрированная жидкость спускается по кольцевому пространству между диффузором и корпусом аппарата и циркулирует непрерывно.

В качестве примера промышленного аппарата аналогичного принципа действия на рисунке 5.3.1 представлен цилиндрический эрлифтный ферментер объемом 320 м³, предназначенный для непрерывного выращивания дрожжей на сусле, получаемом на гидролизно-дрожжевых заводах. Более совершенными по сравнению с аппаратом с единичным диффузором являются ферментеры большего объема с рассредоточенным вводом воздуха в жидкость.

Ферментеры такого типа широко используются для промышленных процессов микробиологического получения кормовых дрожжей на жидких гидролизатах растительных субстратов, содержащих до 2% растворенных веществ. В связи с низкими массообменными характеристиками переработка более концентрированных питательных сред на них невозможна.

Аналогичные по принципу действия эрлифтные ферментеры меньшего объема – 6,3 и 63 м³ – используются в производственных технологических линиях на стадии получения чистой культуры и выращивания засевных дрожжей. На рисунке 5.3.2 изображен ферментер ЭВЦ 6,3-1К. Аппарат входит в комплектную промышленную установку гидролизно-дрожжевого завода мощностью 50 тыс. т/год.

Ферментер – вертикальная цилиндрическая цельносварная емкость с эллиптическими крышкой и днищем, оснащен аэратором, изготовленным из перфорированного листа, и цилиндрическим диффузором, расположенным над аэратором. Теплообменные поверхности ферментатора представляют собой рубашку с кольцевыми каналами, расположенную на диффузорах. Ферментер изготовлен из стали 08Х22Н6Т. Рабочая среда: в аппарате – коррозионная, рН = 4,6-4,8; в теплообменнике – охлаждающая вода.

Примерами ферментера, где перемешивание и аэрация осуществляется за счет циркуляции газо-жидкостного потока, являются трубчатые газлифтные аппараты (рисунок 5.3.3). Аппарат состоит реактора кожухотрубного типа и циркуляционной трубы, в верхней части которой имеется камера тонкой сепарации, содержащая механический пеногаситель. Реактор состоит из нескольких камер (снизу вверх): подачи воздуха, подсасывания жидкости, контакта и грубой сепарации. Из камеры подачи воздуха в нижние отверстия 4/5 всех труб камеры контакта введены барботеры диаметром 4 мм, оканчивающиеся для предупреждения засорения отверстий фторопластовой насадкой (форсункой). В трубках камеры контакта с диаметром 56 мм находится культуральная жидкость. Трубы занимают 4/5 емкости камеры контакта. Межтрубное пространство отведено для хладагента. Вытекающий их труб-барботеров воздух создает газо-жидкостную смесь, поднимающуюся в камеру грубой сепарации. По 1/5 труб контакта жидкость возвращается в камеру подсасывания. Внутренний циркуляционный контур служит для создания турбулентности и улучшения условий массопередачи. Внешний циркуляционный контур обеспечивает тонкую сепарацию, отвод отработанного газа и возвращения жидкости в камеру подсасывания. Такая конструкция позволяет создать однородную турбулентность во всех трубах, отсутствие застойных зон. Достоинством ее является хорошая масштабируемость: режим, отработанный в модельном аппарате с несколькими трубами, успешно воспроизводится в промышленном аппарате с большим количеством труб, благодаря той же длине и диаметру труб. Поверхность теплообмена развитая и пропорционально возрастает с увеличением емкости реактора. Коэффициент заполнения аппарата равен 0,5. Аппарат герметичен, успешно испытан в полупромышленной конструкции в производстве микробной биомассы на водорастворимых субстратах.

В последние годы большое внимание уделяется проектированию колонных ферментеров, в которых аэрирующий газ поступает в нижнюю часть колонны и поднимается вверх, а культуральная жидкость при помощи циркуляционного насоса перекачивается из нижней части колонного аппарата в верхнюю. Конструктивно колонные ферментеры представляют собой цилиндрические емкости с отношением высоты к диаметру не менее 10, в которых перемешивание среды производится сжатым воздухом. Они отличаются простотой конструкции и достаточно высокой интенсивностью массопередачи.

Ферментеры с контактными устройствами – это вертикальные цилиндрические сосуды, разделенные на секции контактными устройствами различных конструкций. Контактные устройства обеспечивают развитую поверхность контакта фаз и высокую скорость сорбции кислорода. К числу таких аппаратов принадлежит большинство конструкций аппаратов колонного типа, часто используемых для процессов непрерывного культивирования. Основное различие между ними заключается в конструкциях перегородок, разделяющих секции. Они могут быть выполнены в виде плоских или сегментных ситчатых тарелок, в виде колпачковых тарелок, тарелок со специальными аэрирующими приспособлениями, тарелок с радиальными щелями и т. п.

Оригинальная конструкция колонного ферментера разработана во ВНИИсинтезбелок (рисунок 5.3.5). Аппарат имеет тарельчатые контактные элементы и верхнюю концентрационную часть, позволяющую концентрировать клетки из пенной фазы и выводить эту биомассу из ферментера. Воздух или аэрирующая смесь, подаваемые снизу, собираются под каждой тарелкой. По кольцевой щели между бортом тарелки и корпусом аппарата культуральная жидкость может противотоком газу перетекать вниз, что позволяет осуществить противоточное непрерывное культивирование. Газ барботирует через небольшой слой жидкости, что обеспечивает интенсивный массообмен и обновление поверхности контакта фаз на каждой тарелке. Конструкция колонного ферментера с контактными устройствами приведена на рисунке 5.3.4.

Между тарелками аппарата для повышения турбулизации и диспергирования фаз может располагаться плавающая насадка. Такая конструкция колонного ферментера объемом 100 м³ и более эффективно работает на углеводородном сырье (н-парафине), а также на спиртах и углеводных средах.

Колонные аппараты, обеспечивающие многостадийное культивирование, также широко применяются для анаэробных процессов, например, для сбраживания пивного сусла, и для некоторых процессов биосинтеза, например, окисления сорбита в сорбозу.

5.3.2 Аппараты с подводом энергии к жидкой фазе

К аппаратам этой группы относятся ферментеры с самовсасывающими мешалками, с эжекционной системой аэрации, а также струйные ферментеры. Биореакторы с самовсасывающей аэрационной мешалкой, имею­щей полый вращающийся вал, на котором и закреплена мешалка специальной конструкции, нашли достаточно широкое применение в микробиологической промышленности. Такие аппараты, работающие по принципу системы Вальдгофа, имеют самое различное конструктивное оформление.

Конструкция ферментера объемом 2 м³ с самовсасывающей мешалкой, обеспечивающей интенсивное диспергирование и аэрацию среды, приведена на рисунке 5.3.6. В корпусе ферментера установлен диффузор, а под ним, с небольшим зазором, мешалка, которая может быть различной конструкции, наиболее часто – диск с изогнутыми полыми лопастями или турбинная мешалка. Благодаря вращению, внутри лопастей создается разрежение в несколько метров водяного столба. Самовсасывание достаточного количества воздуха из верхней части аппарата или снаружи достигается при глубине жидкости не более 1,5-2 м.

В промышленные аппараты большого объема при необходимости, например, для подачи стерильного газа на аэрацию, воздух может подаваться принудительно. Вращающийся аэратор, перемешивая жидкость, вместе с тем обеспечивает ее засасывание из диффузора. Жидкость вместе с пеной переливается из периферической части аппарата через верхний край диффузора.

Ферментеры большой емкости с эжекционной системой перемешивания часто выполнены в виде горизонтального тора, по окружности которого равномерно размещены самовсасывающие турбинные мешалки. Этот же принцип использован в конструкции ферментера объемом 50 м³ с пятью самовсасывающими мешалками (рисунок 5.3.7).

Такие ферментеры эффективны при работе на малорастворимых и дисперсных субстратах (углеводороды, растительное сырье) для получения биомассы микроорганизмов в качестве целевого продукта.

Большое распространение получили аппараты с циркуляционным (струйным) перемешиванием. Циркуляция обычно осуществляется с помощью высокопроизводительного насоса. На рисунке 5.3.8 представлен один из вариантов аппарата такого типа с внешними циркуляционными контурами. В вертикальный сосуд воздух подается сверху, при этом преодолевается только избыточное давление в аппарате. Культуральная жидкость насосом перекачивается через одно или несколько сопел, расположенных в аппарате. Попадание струй в массу жидкости сопровождается захватыванием пузырей воздуха, отличающихся монодисперсностью и небольшими размерами. Жидкость, устремляющаяся вниз по аппарату, увлекает пузыри. После прохождения сепарационной зоны, жидкость посредством насосов вновь подается в верхнюю часть аппарата. Для обеспечения работы и герметизации аппарата необходим насос в специальном исполнении, например, бессальниковый. Струйные ферментеры, характеризуются высоким массообменом и кратностью циркуляции среды. Аппараты применяют при получении бактериальной биомассы на газообразных источниках углерода. Они могут работать как при атмосферном, так и при избыточном давлении.

На рисунке 5.3.9 приведена схема струйного ферментера колонного типа. В корпусе колонны одна над другой расположены секции, соединенные между собой одной или несколькими сливными трубами. Жидкость специальными насосами подается в верхнюю секцию колонны, из которой по системе сливных труб стекает вниз. При этом струя жидкости захватывает воздух, поступающий через газовводную трубу. Перемешивание среды в аппарате обеспечивается внешним циркуляционным контуром.

5.3.3 Аппараты с комбинированным подводом энергии

К аппаратам этого типа относятся ферментеры с механическим перемешиванием и барботажем, колонные ферментеры с циркуляционным контуром и принудительной подачей воздуха. Аппараты с механическим перемешиванием и барботажем нашли самое широкое применение в медицинской и микробиологической промышленности. В настоящее время используются аппараты такого типа объемом до 150 м³. Они предусмотрены для работы в асептических условиях и рассчитаны на давление до 3 МПа и коэффициент заполнения 0,5-0,7. Ферментеры такого типа, но меньшего объема широко применяют в качестве посевных аппаратов.

В качестве примера можно привести вертикальные ферментеры с механическим перемешиванием и со сложными внутренними циркуляционными контурами фирмы «Хемап» (Швейцария), которые используются для ферментационных процессов, требующих интенсивной турбулизации среды и массообмена. На рисунке 5.3.10 приведена схема такого аппарата. Наиболее часто встречающейся конструкцией привода применительно к ферментерам различной емкости, является привод, размещенный на верхней крышке ферментера, однако фирма «Хемап» во многих конструкциях размещает двигатель и привод снизу, что дает определенные преимущества, как-то: снижение шума в цехе культивирования, снижение нагрузки на обечайку и освобождение места для установки различной вспомогательной аппаратуры. Внутренний диффузор, заключенный в дополнительный цилиндр, выполнен с отверстиями разного диаметра. На валу расположены на различных уровнях несколько рабочих колес – пропеллерных или турбинных многоярусных мешалок. Под цилиндром на валу находятся лопасти центробежного насоса. Для гашения пены применен механический пеногаситель тарельчатого типа.

Для стерильных процессов ферментации разработаны широко распространенные в микробиологической промышленности ферментеры объемом 63 и 100 м³, использующие для перемешивания и аэрации многоярусные мешалки различного типа, внутренний теплообменник и барботер для ввода аэрирующего газа. Конструкции ферментера немецкой фирмы «Рудислебен» с нижнем приводом и отечественного ферментера аналогичного принципа приведены на рисунке 5.3.11 а,б.

Производственный отечественный серийный ферментер (Ф-63-1К-01) для стерильных процессов объемом 63 м³ приведен на рисунке 5.3.12.

Пример описания аппарата:

Ферментер – вертикальная цилиндрическая емкость с эллиптическими крышкой и днищем объемом 63 м³, снабженный устройствами для аэрации, перемешивания и теплообмена. Коэффициент заполнения аппарата 60 %. Перемешивающее устройство – открытые турбинные мешалки, установленные в 5 ярусов. Привод размещен на двухопорной стойке. Вал установлен в промежуточную и концевую опоры. Для герметизации ввода вала в аппарат применено торцовое уплотнение с термическим затвором типа ТТ. В корпусе аппарата размещены три отражательные перегородки. Устройство для аэрации – барботер, воздуховод которого выведен наружу в нижней части аппарата и прикреплен к корпусу. Теплообменное устройство представляет собой секционную рубашку на корпусе аппарата. Внутренний теплообменник состоит из трех вертикальных секционных спиральных змеевиков. Теплоноситель – холодная вода. Корпус ферментера изготовлен из двухслойной стали 09Г2С + 12Х18Н10Т, внутренние устройства – из стали 12Х18Н1 ОТ, рубашка – из Ст3.

Аппарат снабжен необходимыми технологическими штуцерами для подачи пара для стерилизации, питательной среды, посевного материала, теплоносителей, КИП. Выгрузка продукта осуществляется под давлением стерильного сжатого воздуха через нижний спуск.

Таблица 5.3.1 – Гидродинамические и массообменные характеристики биохимических реакторов

Технико-экономические показатели	Барботажно-эрлифтные	Колонные барботажные	С самовсасыва-ющими турбинными мешалками	Струйные	С механическим перемешиванием (Ф-63-1К-01)
Коэффициент заполнения, %	30-35	35-40	45-55		40-50
Удельный расход воздуха, м^3/м^3 ·мин	0,8-1,0	0,9-1,2	0,8-1,2		0,7-10,0
Степень использования кислорода, %	10-15	15-22	20-30		25-30
Удельная скорость массопередачи О2, кг/м^3 ·час	1,5-2,0	3,0-4,0	5-8	5-7	4,0-4,5
Удельные затраты электроэнергии на 1 кг О2, кВт ·ч/к	0,8-1,0	0,6-0,8	0,9-1,2	0,6-0,9	0,8-1,1

Дата добавления: 2013-12-13