22.23. Варианты выполнения просечного листа

Емкость 1 заполняют питательной средой и подают в нее начальную засевную биомассу микроорганизмов. Воздух на аэрацию подается турбовоздуходувками, поступает по коллектору 3, патрубкам 2 и общему газоходу 17 в аэрационные устройства 10, распределяется по замкнутым контурам 13 с крестовинами 14 и вертикальным трубам 15. Диспергирование воздуха осуществляется через участки, выполненные из просечного листа 18, имеющего малое гидравлическое сопротивление. Свободное сечение листа составляет 20…30 % и, благодаря размещению его на нижних и боковых поверхностях труб, поток газа, проходящий через просечки, может иметь различное направление. Выполнение аэрационного устройства в каждой секции 9 из двух замкнутых контуров 13, расположенных горизонтально под теплообменниками 11, позволяет равномерно распределить воздух по объему секции, исключить проскок воздуха по центру теплообменников. Различное направление потока воздуха через просеки на нижней и боковой поверхности труб 12 и на крестовинах 14 создает локальную циркуляцию среды и препятствует оседанию дрожжевой суспензии на дне емкости 1, по периферии секций 9 и у стенок емкости. Дрожжевая суспензия, проходя через теплообменники 11 в восходящем газожидкостном потоке, насыщается кислородом воздуха и одновременно охлаждается, увеличивая при более низкой температуре растворимость кислорода.

Циркулирующие потоки суспензии, поднимаясь, поступают в центральную часть секций 9, проходя вдоль перегородок 16, опускаются и направляются под теплообменники 11, замыкая контуры циркуляции. В центральной части секций 9 поток воздуха поступает через участки с просечным листом 18, расположенные по высоте вертикальных труб 15, и направляется по касательной к поверхности трубы. Трубы 15 расположены противоположно контурам 13 напротив друг друга у радиальных перегородок 8, благодаря чему образуются встречные газожидкостные потоки, которые вращают среду в центре секций 9. Таким образом организуется вращающийся газожидкостной поток по центру секций, который взаимодействует с контурами циркуляции от теплообменников 11 в перекрестных направлениях, что интенсифицирует процессы массообмена. Потоки воздуха, выходящие через просечной лист на вертикальных трубах 15, эффективно перемешивают и диспергируют дрожжевую суспензию, имеющую высокую вязкость, что препятствует образованию застойных зон в центральной части секций 9. Переток среды из одной секции в другую осуществляется через вырезы в радиальных перегородках 8 в центральной части секций. Отработанный газ отводится из емкости 1 по патрубкам 4.

Аппарат для выращивания микроорганизмов отличается тем, что каждое аэрационное устройство состоит из двух горизонтально расположенных под теплообменниками замкнутых трубчатых контуров прямоугольной формы, внутри которых укреплены крестовины из труб, и противоположно размещенных между контурами двух вертикальных труб. При этом последние и трубы контуров имеют участки, выполненные из просечного листа, причем эти участки в замкнутых контурах расположены на нижних и боковых поверхностях труб, а на вертикальных трубах они расположены по их высоте для создания вращающегося газожидкостного потока по центру каждой секции.

Аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток (Пат. № 1773936 РФ, С12 М1/04) применяется для получения биомассы и продуктов биосинтеза микроорганизмов, а также клеток животных и растений.

На рис. 22.24 изображен аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток.

Сущность изобретения: аппарат содержит емкость и размещенное в емкости устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения. В верхней части емкости расположены поперечная перегородка с отверстиями, укрепленная на штоке, и размещенные под ней в виде пакета конические перфорированные отражательные элементы, прикрепленные к стенке емкости, при этом одна из пластин, верхняя, расположена между перегородкой и коническими элементами.

Целью изобретения является создание конструкции аппарата для выращивания микроорганизмов или клеток, в котором повышается выход целевых продуктов за счет более полного перемешивания, аэрирования и ликвидации застойных зон.

Новым в предложенной конструкции является замена статического аэратора-барботера на систему динамической аэрации. Это достигается установкой на штоке жесткой перфорированной поперечной перегородки, совершающей возвратно-поступательное движение. Для создания аэрационного эффекта аэрирующая перегородка располагается вблизи поверхности жидкости. Отличительной особенностью аэрирующей перегородки является то, что отверстия в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположены по концентрическим окружностям по всей площади перегородки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз. Применение конических отверстий позволяет создать дополнительную турбулизацию поверхностного слоя жидкости, усиливающую поверхностную аэрацию. Аэрирующая перегородка одновременно выполняет роль механического пеногасителя.

Рис. 22.24. Аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток

Вторым элементом новизны является разделение всего объема аппарата на две зоны: зону локальной аэрации и зону культивирования. Это достигается установкой пакета неподвижных конических (сужающейся частью вниз) перфорированных отражательных элементов с отбортовкой вниз между аэрирующей пластиной и гибкими пластинами. Установка отражательных элементов служит для предотвращения транспорта клеток гибкими пластинами в аэрационную зону и формирования циркуляционного потока жидкости, содержащей клетки, который образуется в пристенной зоне и направлен в нижнюю часть аппарата.

Третьим элементом новизны является применение гибких пластин равномерного или переменного сечения, у которых имеются прорези, сегментирующие их на отдельные элементы. Для достижения требуемого эффекта «мягкого» перемешивания используются пластины из инертного термостойкого материала. Выбор материала обусловлен необходимостью термической стерилизации аппарата.

Аппарат состоит из герметичной емкости 1 и оборудован штуцером 2 и фильтром 3 для подачи и стерилизации воздуха, штуцером 4 и фильтром 5 для удаления и очистки отработанного воздуха, штуцером 6 для загрузки питательной среды и посевного материала, устройством 7 для температурной стабилизации, пробоотборником 8, штуцером 9 для подачи охлаждающей воды, штуцером 10 для выгрузки содержимого аппарата. Внутри аппарата расположен вертикальный шток 11 с пакетом гибких пластин 12, и одна из них расположена в аэрационной зоне. Отвод охлаждающей воды производится через штуцер 13. Аэрационная зона отделена от зоны культивирования пакетом неподвижных перфорированных конических элементов 14, прикрепленных к стенке аппарата. Конические элементы имеют в верхней части отбортовку. Аэрация и пеногашение осуществляются жесткой перфорированной перегородкой 15, имеющей конические отверстия, выполненные в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположенные по концентрическим окружностям по всей площади перегородки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз. Герметичность соединения штока 11 с емкостью 1 обеспечивается сильфоном 16.

В аппарат после термической стерилизации подается стерильная питательная среда и посевной материал. Объем питательной среды в аппарате выбирается так, чтобы уровень среды обеспечивал погружение аэрирующей перегородки 15 в поверхностный слой жидкости. Через штуцер 2 и фильтр 3 в верхнюю часть аппарата поступает стерильный воздух для газообмена. Отработанный воздух через штуцер 4 выходит из аппарата. Шток 11 соединен с внешним побудителем колебаний и совершает возвратно-поступательное перемещение, вместе с ним перемещаются пакет гибких пластин 12 и аэрирующая перегородка 15.

В аэрационной зоне при возвратно-поступательном перемещении перегородки 15 возникают знакопеременные потоки жидкости, направленные вверх при движении пластины вниз и направленные вниз при движении пластины вверх. При таком движении происходит захват воздуха и транспорт его в аэрационную зону.

Дополнительное дробление газа осуществляет гибкая пластина 12, установленная в аэрационной зоне. С ее помощью часть газовых пузырей попадает под пакет конических перфорированных элементов 14. Газовые пузыри, находящиеся под коническими элементами, всплывают, попадая в зону, образованную отбортовкой, и удаляются из зоны аэрации.

Пластины 12 располагаются равномерно по высоте аппарата. При вибрационном перемешивании нижняя пластина расположена у днища аппарата и служит для подъема оседающих в циркуляционной зоне клеток. Каждая вышерасположенная пластина выполняет роль транспортирующего элемента, направляя клетки в аэрационную зону, из которой они по пристенной циркуляционной зоне возвращаются в нижнюю часть аппарата.

Аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток отличается тем, что с целью повышения выхода целевого продукта за счет более полного перемешивания, аэрирования и ликвидации застойных зон, в верхней части емкости по всему ее сечению расположены поперечная перегородка с отверстиями под ней в виде пакета, конические перфорированные элементы, прикрепленные к стенке емкости, при этом одна из пластин, верхняя, расположена между перегородкой и коническими элементами; диаметр пластин составляет не более 0,5 диаметра емкости; пластины выполнены гибкими; отверстия в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположены по концентрическим окружностям по всей площади перегородки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз.

* * *

В этой главе наиболее важными являются следующие моменты:

1. Биохимические процессы основаны на использовании ферментов, в присутствии которых возникают превращения биологических материалов, а микробиологические процессы — на метаболизме веществ и их выделении клетками в процессе жизнедеятельности.

2. Модель процесса биосинтеза представляют в виде системы дифференциальных уравнений материального баланса, описывающих динамику изменения концентраций биомассы, субстратов или основных продуктов метаболизма.

3. Классификация солодорастильных и дрожжерастильных аппаратов, а также ферментаторов и биореакторов позволяет по-новому характеризовать биотехнологические процессы и судить об их совершенстве.

4. Инженерные расчеты оборудования для солодоращения и культивирования микроорганизмов несут в себе потенциал развития аппаратов биотехнологического комплекса.