2.1. Эрлифтные ферментаторы

Из всего разнообразия эрлифтных ферментаторов рас­смотрим три типа, принципиально различающиеся как конструкциями, так и условиями работы.

Ферментатор с кюветными аэраторами. Наибольшее распрост­ранение в дрожжевом производстве получили аппараты с эрлифтными трубами большого диаметра, называемыми часто аэрато­рами или кюветами. Такой аппарат (рис. 2.1) представляет собой цилиндрическую емкость 3 с плоским днищем и конической крышкой. Внутри емкости установлены кюветы 4, количество которых, в зависимости от объема ферментатора, изменяется от трех до восьми. Например, в аппарате, разработанном во ВНИИсинтезбелок, на номинальную емкость 1300 м³ (диаметром Ими высотой 14 м) имеется четыре кюветы диаметром 3,4 м и высотой 5 м каждая. Двойные стенки кювет, в полость между которыми через штуцер А вводится вода, служат теплообменными устройствами. Для интенсификации теплоотдачи к воде в полость кюветы помещена лента, образующая спиральный канал. Воздух вводится в ферментатор по центральной трубе 2 и по трубам 6 поступает в газораспределители (барботеры) 7. Газораспредели­тель представляет собой низкую коробку, между цилиндрической

стенкой которой и нижней крышкой имеется узкая кольцевая щель для выхода воздуха. Гидравлическое сопротивление этой щели рассчитывается так, чтобы обеспечить равномерную раздачу воздуха по всем барботерам. Питательная среда, аммиачная вода и засевные дрожжи через штуцеры Б подаются в бачок 1 и далее по трубам 5 поступают в коробку барботера 7. Воздух при выходе из барботера поднимается вверх, увлекая за собой в кюветы питательную среду, смешанную с циркулирующей культуральной жидкостью. Выводится воздух через сепаратор капельной жидкости 5, установленный на крышке ферментатора. Дрожжевая суспензия выходит из аппарата через штуцер В.

Каждая кювета ферментатора работает как затопленный эрлифт. При подаче воздуха в ней образуется газожидкостная смесь, газосодержание которой больше, чем газосодержание дрожжевой суспензии в межкюветном пространстве аппарата. Вследствие этого в его нижней части (в зоне кювет) возникает циркуляция суспензии, препятствующая осаждению ее твердой фазы. Циркуляция жидкости затухает по мере удаления от кювет, и в верхней части аппарата образуется довольно высокий слой устойчивой пены с отфлотированными микроорганизмами. Устра­нить это нежелательное явление можно только за счет интенсив­ного перемешивания жидкости во всем объеме аппарата. Для этого необходимо высоту барботажных труб (кювет) делать такой, чтобы их верхний срез находился на расстоянии не более 1 м от уровня пены.

Эффективность переноса кислорода из воздуха в культуральную среду определяется площадью образующейся межфазной поверхности газ — жидкость. Для ее увеличения необходимо в зоне барботажа иметь пузыри малых размеров. Поэтому при разработке барботеров стремятся к тому, чтобы газ выходил из отверстий газораспределителей тонкими струями, при распаде которых будут образовываться мелкие пузыри, сохраняющие и в дальнейшем свои начальные размеры. Однако щелевой барботер не создает хороших условий для диспергирования газа. Визуальные наблюдения за его работой показали, что газ, выры­ваясь из щели со скоростью 20—30 м/с широкой плоской струёй, формируется первоначально в крупные пузыри. Объясняется это низкими скоростями всплытия пузырей, которые только при большом объеме способны вобрать в себя весь подаваемый газ. По мере подъема вверх за счет турбулентных пульсаций сплошной среды часть пузырей дробится на более мелкие. Но основная масса газа проходит через слой жидкости в виде крупных пузы­рей, достигающих иногда диаметра 300—500 мм. Естественно, что массоперенос целевого компонента из газа в жидкость в этих условиях мало эффективен.

Рис. 2.1. Ферментатор с кюветными аэраторами

Рис.2.2. Ферментатор с кожухотрубчатыми аэраторами

Подъем крупных газовых пузырей вызывает и другое негатив­ное явление, наблюдаемое в ферментаторах с короткими барботажными трубами больших диаметров. Такие пузыри, всплывая вверх, вытесняют большие объемы жидкости и в верхнем ее слое (над кюветами) возникают пульсации, масштаб которых соизме­рим с диаметром аппарата. Это приводит к резонансной раскачке всей массы жидкости и, как следствие, к большим прогибам стенок аппарата, а главное, создает условия неравномерной работы кювет. В месте пульсационного повышения уровня жидкости над барботером резко возрастает гидравлическое давление, газ устремляется в другие барботеры, и кювета, находящаяся под увеличенным слоем жидкости, прекращает работать как аэратор. Наблюдения гидродинамики в восьмикюветном ферментаторе показали, что обычно пять кювет работают в режиме аэраторов, а три — в режиме циркуляционных труб.

Ферментатор с эрлифтными трубами. Избежать образования крупных газовых пузырей можно в ферментаторах с барботажными трубами уменьшенных диаметров. Один из вариантов такого аппарата показан на рис. 2.2. Конструктивно он может быть выполнен в виде емкости 1, в которой установлены восемь аэраторов 2, представляющих собой кожухотрубчатые теплооб­менники без крышек. Трубы имеют внутренний диаметр 100 мм и высоту 6000 мм. Воздух вводится в ферментатор по трубе 3 и разводится по газораспределителям 4. Газораспределитель представляет собой низкую цилиндрическую коробку, в верхней крышке которой установлены насадки для подачи воздуха в каждую барботажную трубу. Межтрубное пространство аэраторов охлаждается водой, подаваемой в штуцеры А. На верхней крышке ферментатора установлены механические пеногасители 5, из кото­рых отработанный воздух поступает в коллектор 6 и выводится из него через штуцер Б.

К достоинствам ферментатора с кожухотрубчатыми аэраторами следует отнести развитую поверхность теплообмена, что и позволяет обрабатывать субстраты с высоким содержанием РВ.

Высокие скорости воздуха в барботажных трубах создают хорошие условия для турбулизации газожидкостной смеси, в кото­рой (независимо от условий ввода газа) образуется большая межфазная поверхность, обеспечивающая хороший массообмен.

Таблица 2.2

Технико-экономические показатели ферментаторов (V= 1300 м³) с кюветным и кожухотрубчатым аэраторами

Показатели	Аэратор
	трубчатый	кюветный
Концентрация РВ в перерабатываемом субстрате, %	3	1,4 – 1,6
Удельная производительность, кг АСД/(м3.ч)	3,7	1,25
Удельный расход воздуха, м3/(кг АСД)	28	32
Удельный расход электроэнергии, кВт.ч/ кг АСД	0,8 – 1,0	1,0
Коэффициент использования воздуха, %	15	5

Прим. : АСД – абсолютно сухие дрожжи.

Основное конструктивное достоинство ферментатора состоит в том, что его внутренние устройства компонуются из отдельных независимых блоков. Это позволяет создавать аппараты с неогра­ниченными размерами как по высоте, так и по диаметру, обеспе­чивая равномерное распределение газа по всему сечению.