Көбіктің пайда болуы және көбік сөндіргіш
Аэробты микроорганизмді өсіру процесінде ферментерге ауаны берумен жүреді және қоректік ортаны араластырғаннан күшті көбіктің пайда болғаны байқалады. Газды фазаны енгізу, сондай–ақ қоректік орта құрамында қоректік субстрат тұздың болуы, микроорганизмнің метаболизм өнімі мен беттік – активтік заттың болуы биосинтез процесіндегі көбіктің пайда болуын тудырады.
Ферментердегі көбіктің пайда болуы, бір жағынан жоғарғы жағындағы масса алмасуының дамуынан ауадағы оттегінің еруі тездесе, екінші жағынан тез арада аппарттағы пайдалы көлем төмендейді, көбік асып төгіледі, бөгде микрофлора мен ластану қауіпі жоғарылайды. Ферментерді толтыру коэффициенті 0,5-0,6 құрайды.Газ құрамының көбеюінен ортаның деңгейі жоғарылайды, былайша көбіктің көлемі 10 %-тен жоғарыламайды, 1м3 культуральды сұйықтағы өнімнің шығымы мен оның өзіндік құны, мұндай технологиялық көрсеткіштер көбік сөндіру әдісінің тиімділігіне байланысты. Биотехнологиялық өндірісте көбіктің пайда болуымен күресу.
Өндірістегі ферментер аэратор немесе барботердің саңылауынан газды ығыстырып шығарып, турбулентті ағымдағы әр түрлі көлемдегі көбікті ыдыратады. Егер газды беру жылдамдығы сұйықтықтың көлеміндегі табиғи көбіктің көтерілуінен жоғары болса, онда оның беткі қабатында көбік түрінде газ жиналады.
Таза сұйықтықтағы көбік көпіршігінің төзімділігі нольге тең, нәтижесінде көбікті қоршаған сұйық қабықшаның беріктігі төмендейді. Культуральды сұйықтыққа, микроорганизмдер қатысады және әр түрлі еріген заттар (қоректік компоненттер мен метаболизм өнімі) пайда болады, сондықтан барлық уақытта берік көбік қабаты түзіледі. Культуральды сұйықтықтың беткі жағында барынша берік газ пайда болады және үздіксіз аэрациялау нәтижесінде барлық культуральды сұйықтық көбікке ауысуы мүмкін.
Қазіргі кезде көбікті ыдырату үшін және көбіктің пайда болуын ескерту үшін әр түрлі заттар қолданылады. Культивирлеу процесінде бастапқы қоректік ортадан көбіктің пайда болуын, ескерту үшін адсорбенттерді (активті көмір, иониттер) енгізу арқылы жүзеге асырылады, ол ақуыз көбіктің пайда болуын байланыстырады. Қоректік ортаның құрамын жасауда аз көбіктенетін компоненттерді таңдайды.Көбіктенуге кейбір қоректік заттардың құрамы әсер етіп қоймайды және оларды өңдеу әдісіне де әсер етеді: температура, зарарсыздау ұзақтығы және егіс материалының қосылатын саны. Биосинтез процесін өңдеуде міндеті түрде ескерілуі қажет.Биотехнологиялық синтез процесінде көбіктің пайда болуыннан қашу керек.
Ферментердегі көбіктің деңгейін реттеу үшін әртүрлі әдістер - химиялық, механикалық, физикалық және комбинирленген әдістер қолданылады.
Химиялық көбік сөндіргіш
Ұзақ уақыт бойы көбік сөндірудің негізгі әдісі болып химиялық әдіс саналған, культуральды ортаға көбіктің беткі қабатын әлсіздейтін БАЗ қосу арқылы орындалған. Көбік сөндіргіштің негізгі қызметі – ыдырату, газды сұйық жүйеде екі фракцияның пайда болуы: газ және сұйық.
Химиялық көбік сөндіргіштің механизмі болып, беткі қабатындағы көпіршіктерден көбіктің пайда болуын беттік – активтік затпен ығыстыру болып табылады.Химиялық көбік сөндіргіш зат табиғи және жасанды болып екіге бөлінеді: табиғи және жасанды .Табиғатта негізінде көбінесе әр түрлі өсімдік майлары (күнбағыс, соя, жүгері, арахис, олеин) немесе жануарлар майы (сүйек майы, техникалық май ). Бұл заттар көбік сөндіруге ғана емес, зат алмасуға да қатысады және микроорганизмнің тіршілігін қалыптастырады.
Табиғи көбік сөндіргіштің кемшілігі – оларды салыстырғанда шығыны көп болады (0,5-2,0 % ортаның көлемінде), бағасының қымбаттығы, сондай-ақ дайын өнімді алудың арқасындағы теріс әрекеті (фильтрлеуде,экстракциялауда) нашарлау.
Жасанды көбік сөндіргішке БАЗ пен гидролиз тобы жатады, қоректік ортадағы осы заттың электролиттік диссоциациясын анықтаушы сипаты. Мысалы, кремний органикалық полимерлер (силоксандар), алкиламиносульфонаттар, күрделі эфирлер, спирттер қолданылады.
Елімізде кеңінен таралған болып ПМС-154 А, ПМС–200А, ПМС–1000А маркалы концентрленген полиорганосилоксандар саналады. Қымбат болуына қарамастан бірқатар артықшылығы бар көбік сөндіргіштер: өңделетін өнімде құрамы төмен, жоғары температурада қолдану мүмкіншілігі, ұшқыштығы, химиялық инерттілігі, тотыққанда төзімділігі, улы еместігі.
Культивирлеу процесіндегі қоректік ортаға көбік сөндіргішті қосқанда өнімнің шығмын төмендетеді. Демек, динамикалық көбікті ортадағы оттегінің жақсы еруіне септігін тигізеді, ал химиялық көбік сөндіргіш көбікті азайтады, аэробты микроорганизмнің оттегімен тыныс алуына кедергі жасайды, Бірақ басқа да нәтижелері белгілі. Полипропиленнен дайындалған БАЗ ортаға қосуда көмірсу негізінде культуральды сұйықтықта оттегі абсорбциясының жылдамдығын ұлғайтуға мүмкіндік жасайды және көмірсудың концентрациясын 15-20 % арттыруға мүмкіндік жасайды және биотехнологиялық процестің өнімділігін 10-15 % жоғарылатады .
Көбік сөндіргіштің химиялық әдісінің негізгі кемшілігі аэрацияға берілген көпіршік ауа көбік сөндіргіштің адсорбциясы болып саналады. Химиялық көбік сөндіргіш ортадағы оттегі диффузиясының жылдамдығын қиындатады және сондай-ақ еріген газдың бөліну жылдамдығын да. Одан басқа химиялық көбік сөндіргішті қолдану шығыны жоғары болуына байланысты. Мысалы, азықтық ашытқы өндірісіндегі жалпы өзіндік құнынан химиялық көбік сөндіргіш 10 % дейін шығынын құрайды.
Механикалық көбік сөндіргіш
Механикалық көбік сөндіргіш әдісі химиялық әдістен кейін болып табылады, қарапайым және барынша тиімді.
Механикалық көбік сөндіргіштің әр түрлі түрлері белгілі: циклонды, сұйықтық – құйылатын, ортадан тепкіш табақшалы, дискілі, роторлы. Механикалық көбік сөндіргіш екіге бөлінеді: активті, яғни айналмалы (қозғағыш) жұмысшы орган және пассивті – қозғалмайтын.
Активті механикалық көбік сөндіргіш көбіктің ұясын ыдыратады,(ұрғыш) күштің әсерінен ортадан тепкіш күштің аймағына, жұмысшы барабанның айналуынан жұмысшы бөлігі жүргізіледі.
Пассивті механикалық көбік сөндіргіш инерционды жүктің есебінен көбікті ыдыратады және қысымның төмендеуінен ағымдағы көбік қозғалған кезде көбік сөндіргіш каналда пайда болады.Пассивті механикалық көбік сөндіргіштің (циклондар, лабиринттер, спиралдар) эффективтілігі аз болып келеді, төзімділігі төмен көбікті өңдеу үшін қолданылады. Құрылысы қарапайым активті механикалық көбік сөндіргішке тез айналатын роторлы диск саналады. Оны қолданылғанда минимальды электр энергиясы жұмсалады және екіншілік көбіктің пайда болуын минимумға дейін төмендетеді. Механикалық көбік сөндіргіштің айналу жиілігіне байланысты көбік бұзылады.
Келесі механикалық көбік сөндіргіштің үлкен тобы – табақшалы ортадан тепкіш және оның модификациясы. Көбік сөндіргіштің құрылысы негізгі үлкен білікке конустың қимасымен төмен қарай орнатылған, оның ішінде тарамдалған оқшаулағыш бөліктермен дәнекерленген және конусты табақша қалта тәрізді.
Механикалық табақша көбік сөндіргіштің жұмыс істеуі, көбіктің бұзылуына, айналып тұрған беткі қабатындағы көбікті ұрғыш күштің әсерінен сөндіреді. Құрылысының кемшілігі майда дисперсті көбіктің пайда болуы, ол көбікті қоршаған көбік сөндіргіш көбікті екінші рет көбік пайда болуын тудырады, көбік сөндіргіштің өнімділігі төмендейді және «тұншығуына» әкеліп соғады.
Көбіктің бұзылуы бөлгіш насоста ортадан тепкіш күштің әсерінен жүргізіледі (41-сурет). Бөлгіш насостың жұмыс істеу принципі, көбік ферментерден насостың бірінші бөлігіне келіп түседі, ортадан тепкіш күштің әсерінен сұйқтыққа және газға бөлінеді.
Сұйықтық жоғарғы тығыздықты меншіктеп, жұмысшы дөңгелегінің шеттеріне орналасады, насостан шығарылып, ал газ және көбік сөндіргіш көбіктің жұмысшы дөңгелегінің орталық бөлігінен насостың екінші бөлігіне өтеді, сол жерде көбікті сұйықтықа және газға соңына дейін бөледі. Көбік сөндіргіштің тиімді болуы химиялық және механикалық көбік сөндіру әдісінің үйлесуімен орындалады (42-сурет).
Комбинирленген көбік сөндіргіш әдісінің сызба – нұсқасы келтірілген. Жұмыс істеу принципі келесідей. Көбік ферментатерден түтік арқылы циклон қондырғысына келіп түседі және сепарирленеді.
41 сурет - Екі сатылы НР бөлгіш насос :
1-насостың корпусы;
2-шағылыстырғыш сақина;
3-жұмысшы дөңгелек;
4-кіші күрекше;
5-диафрагма;
6-екінші сатыстың жұмысшы дөңгелегі;
7-насос корпусының қақпағы;
42 сурет - Комбинирленген көбік сөндіргіштің сызба нұсқасы:
1-ферментердың корпусы;
2- циклонды қондырғы;
3-қосалқы цилиндр;
4-механикалық ротор;
Пайда болған сұйықтық циклонның төменгі конусты бөлігіне ағып өтеді және ферментерге қайта оралады. Қалған көбікті химиялық әдіспен көбік сөндіргіш көбікті ыдыратады, көбік эмульсиясымен диспергирлену қабілеті бар айналатын дискіге келіп түседі.
Көбік сөндіргіш қондырғысы ферментердің ішінде дәнекерленген. Кейбір көбік сөндіргіш қарапайым, бірақ механикалық көбік сөндіргіштің тиімділігі жеткіліксіз. Сұйықтық төгіліп құйылып тұратын көбік сөндіргіш. Ферментация ортасы немесе жаңадан дайындалған қоректік ортасы көбік қабатының бетіне шашыратып бүркумен орындалады. Сұйықтық насоспен беріледі, ал бүркудің құрылысы әр түрлі механикалық форсункамен жасалады.Көбіктің беткі қабатын құйындату үшін ауа ағымы қажет, сұйықтықтың бетіндегі пайда болған ирім көбік сөндіргіш ауаның сорғалап ағып тұруымен қамтамасыз етіледі, және барлық уақытта белгілі деңгейде ұстап тұрады. Газды сұйық жүйесіндегі қысымның бірден өзгеруі көбік көпіршігінің толық бұзылуына әкеліп соғады. Бұл үшін техникада вакуумда, камерада қысымды төмендеу қолданылады.Құбырдың перпендикуляр нүктесінде арнайы тар саңылауы бар құбыр газды тазарту үшін қолданылады. Саңылау арқылы өткен көбіктің жылжу жылдамдығы ұлғаяды, нәтижесінде қарқынды газдан тазартылады. Екінші рет көбіктің пайда болуы байқалмады.
Көбік сөндіргіштің физикалық әдісі
Физикалық көбік сөндіру әдісінің көбікті сөндірудегі кеңінен зерттелген процесі, ультрадыбысты, температураның төмендеуі,электр зарядты және тағы басқаларды қолдану негізделген.
Ультрадыбыстың әсерінен көбіктің бұзылуы ертеден белгілі. Көбік сөндіруге әртүрлі аэродинамикалық және магнитнострикционды шағылыстыру ұсынылады. Ультрадыбысты көбік сөндіргіштің механизмі периодты таралған толқының әсерінен көбіктің бұзылуы түсіндіріледі. Бұл әдіс үлкен көлемдегі көбікті сөндіруге экономика жағынан пайдасы аз. Термиялық эффект көбік сөндіру үшін сирек қолданылады. Ыстықтың бетіне көбік тигенде бұзылады. Бұлай әсер етуде булану пайда болады. Содан соң көпіршік қабырғасынан мол мелшерде сұйықтық бөлінеді де ол бұзылады. Өндіріс аппараттарында егерде сұйықтықтың бетінде буландырғыш жыланша орнатылған болса көбік әлсізденді немесе көбік пайда болмайды. Мұндай кезде еріген зат ыстықтың бетіне жіберіледі, бірақ оның болмағаны дұрыс. Биотехнологиялық өндірісте термиялық көбік сөндіргіш қолданылады, жоғарғы температурада көптеген микроорганизмдердың сезімталдығы байқалады. Электр жүйесі көбікті ыдыратады немесе бәсеңдетеді, бұл әдістің механизмі әзірше белгісіз.
Көбік сөндіргішті автоматты түрде басқару
Көбік деңгейін автоматты жүйеде қадағалау және көбік сөндіргіш затты дер кезінде қолдану биосинтез процесін жүргізу үшін ғана емес және ферментерді қадағалайтын жұмысшы күшін экономдау үшін қолданылады.
Автоматты түрде көбік сөндіргіштің сызба - нұсқасында алдын ала жасалған бағдарлама жоспары бойынша химиялық көбік сөндіргішті мөлшерлеп беріп отыратын биосинтез процесінде біркелкі болатын сызба – нұсқа жасалған. Сызба нұсқаның басқасында көбік сөндіргіштің берілуі көбіктің пайда болу шыңы бағдарламада ескерілсе, әрқайсысын белгілі бір штамм және фермент үшін тәжірбие жасалып анықтауға болады. Мұндай жағдайда аз көбіктенетін периодта көбік сөндіргіштің шығымын қысқартуға болады.Кеңінен таралған автоматты жүйедегі көбік сөндіргіштің сызба –нұсқасы 43-суретте келтірілген.
43 сурет- Автоматты жүйеде көбік сөндіргіштің сызба нұсқасы
1-химиялық көбік сөндіргішті мөлшерлегш;
2- араластырғыш бұлғағышты өшіретін, қосатын;
3- ферментерден шығатын ауаның шығуын тоқтататын;
Бұл сызба нұсқада әр түрлі деңгейде орнатылған үш датчик (1,2,3) тұрады. Датчиктің жұмыс істеу принципі келесідей. Көбік бірінші датчикке жақындағанда У1 усилитель арқылы СК1 электромагнитті клапан қосылады, өлшегіш көбік сөндіргіш тізбегіне бекітілген және ферментерге бекітілген көбік сөндіргіштің мөлшері беріледі. Көбік сөндіргіштің берілу ұзақтығының мерзімін РВ1 реле реттеп отырады.Егер көбіктің өсуі жалғаса берсе және екінші датчикке көбік жанасса, онда У2 усилитель арқылы электродвигатель араластырғыш бағдарламада жоспарланған РВ2 релесі уақтысында қосылады. Осылардың бәрі орындалғаннан кейін араластырғыш бұлғағыш жұмысқа қосылады, егерде бірінші датчикке көбік жанасса онда қайтадан СК1 клапан жұмыс істейді және көбік сөндіргіш өлшегіштен РВ1 реле арқылы қайта беріледі. Көбікке көбік сөндіргіштің берілуі РВ1 мен РВ2 реле уақытысына байланысты және араластырғыш бұлғағыштың өшірілуі кезектесіп орындалады. Егер көбіктің деңгейі үшінші төтенше датчикке У3 усилитель арқылы көтерілсе, СК2 электромагнитті клапан іске қосылады, сол кезде ферментердан ауаның шығарылуы тоқтатылады.
Ферментерде сығылған газдың нәтижесінде және барботаждың тоқтауынан көбік үшінші датчиктің деңгейін төмендетеді, СК2 клапан ашылып, аэрация процесі жүреді.Сызба нұсқада ферментерде көбік деңгейін қадағалау, көбік сөндіргішті енгізу, датчикті белгілі уақытта іске қосу негізделген. Егер осы аралықта көбік сөнбесе, химиялық көбік сөндіргішті беретін датчик іске қосылады. Ферментерде көбік деңгейін автоматты жүйеде басқару микроорганизмнің қасиетіне, қоректік ортаның құрамына және ферментердің құрылысына, биосинтез процесін жүргізуге байланысты болады .