Вопрос № 4. Аппаратура для проведения процессов ферментации

ВОПРОС № 3. МАССООБМЕН В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАЦИИ.

Для роста популяции аэробных микроорганизмов требуется кислород, который окисляет органические субстраты и обеспечи­вает клетки энергией. Кислород плохо растворяется в воде, и его концентрация в воде составляет 8,1 мг/л, поэтому для обеспече­ния процесса ферментации необходима непрерывная аэрация ферментационной жидкости.

При аэрации происходят два процесса: абсорбция кислорода ферментационной жидкостью из пузырьков воздуха и усвоение растворенного в жидкости кислорода клетками микроорганизмов.

Для жидкой фазы уравнение массоотдачи запишется в виде

(4)

где М— концентрация кислорода, кг; β_Ж— коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/ч; х _р — равновесные концентрации кислорода, кг/м³; х — рабочая концен­трация кислорода в жидкой фазе, кг/м³; F— площадь поверхности массоотдачи, м²; τ —продолжительность процесса, ч.

Перенос кислорода из ферментационной жидкости к клетке через пограничный слой происходит молекулярной диффузией.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определяется по критериальным уравнениям типа

(5)

Критерий Рейнольдса для барботажных ферментаторов с перемешивающим устройством

(6)

где n —частота вращения мешалки, с^-1; d — диаметр мешалки, м; ρ —плотность ферментационной жидкости, кг/м³; µ_ж —вязкость ферментационной жидкости, Па∙c

Критерий Нуссельта Nu_д = β_ж l/Д и критерий Прандтля Рг = сµ_ж/Д [Д—коэффициент диффузии, м²/ч; l —характерный линейный размер, м; с — теплоемкость, Дж/(кг ∙ К)].

Поскольку площадь поверхности раздела фаз F в барботажных аппаратах неопределима, выразим

(7)

где V_ρ — рабочий объем ферментатора, м³; а —удельная площадь поверхности массоотдачи, м²/м³.

Тогда уравнение (4) примет вид

(8)

или

(9)

где β_жv — объемный коэффициент массоотдачи, ч^-1; β_жv = β_жа.

Процессу глубинной ферментации в ферментаторах предше­ствуют следующие стадии, проводимые в лабораторных условиях: приготовление посевного материала; приготовление и стерилиза­ция питательных сред; выращивание посевного материала в инокуляторах. Количество посевного материала зависит от вместимо­сти ферментаторов, установленных в цехе. Обычно количество посевного материала составляет 5... 10 % объема питательной сре­ды. Перед загрузкой питательной среды и посевного материала ферментатор и все коммуникации стерилизуют. Для уменьшения пенообразования в ферментатор загружают поверхностно-актив­ные вещества (ПАВ). Ферментацию проводят в асептических ус­ловиях в течение 18...24 ч. В ходе процесса контролируют темпе­ратуру и рН культуральной жидкости. После окончания фермен­тации ферментатор опорожняют. Полученный продукт отделяют от жидкости на фильтрах или сепараторах, и он поступает на даль­нейшую обработку.

Ферментатор — это аппарат с мешалкой и барботером для под­вода воздуха (рис. 2). Ферментационная жидкость перемешива­ется в таком аппарате мешалкой и подаваемым воздухом. Во время работы мешалки воздух дополнительно диспергируется в фермен­тационной жидкости. Наибольшее применение получили типовые открытые турбинные мешалки, обеспечивающие эффективное пе­ремешивание и диспергирование воздуха.

Рис. 2. Схема ферментатора:

1 – двигатель, 2 – труба для подачи воздуха, 3 – отражательные перегородки, 4 -мешалки, 5 – змеевик, 6 – рубашка

Рис. 3. Самовсасывающая мешалка:

1— воздушная полость; 2 — патрубок для подвода; 3— турби­на; 4— лопатка

В зависимости от вместимости ферментатора по высоте аппа­рата на вал может быть установлено несколько мешалок. Иногда монтируют отражательные перегородки. Для поддержания необ­ходимой температуры в ферментаторе предусматривают теплообменную рубашку, в которую подается охлаждающая вода.

Разработаны мешалки, самовсасывающие воздух, одна из кон­струкций которых показана на рис. 3. В таких мешалках осуще­ствляется перемешивание с одновременной подачей воздуха для аэрации жидкости. Внутри турбины находится полость с кольце­вым соплом, соединенная с каналом, подводящим воздух. При

Рис. 4. Схема эрлифтного дрожжерастильного ап­парата:

1 — диффузор; 2 — труба для подвода воздуха

вращении мешалки внутри турбины создается разрежение, в ре­зультате воздух из атмосферы засасывается во внутреннюю по­лость мешалки и диспергируется в ферментационной жидкости.

Менее эффективны барботажные ферментаторы. На рис. 4 показан эрлифтный дрожжерастильный аппарат, представляющий собой вертикальную цилиндрическую емкость, в которой по оси расположен диффузор. Воздух подается в аппарат по трубе, распо­ложенной по оси аппарата, и диспергируется в жидкость через кольцевую щель. При подаче воздуха в аппарате возникает на­правленная циркуляция ферментационной жидкости, за счет ко­торой жидкость перемешивается. Образующаяся пена гасится по­верхностно-активными добавками.

В некоторых конструкциях ферментаторов воздух подается че­рез инжекторы, установленные тангенциально в корпусе аппара­та.

Дата добавления: 2014-01-04