Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Тамбовский государственный технический университет»

В. Н. ДОЛГУНИН, В. А. ПРОНИН

ФЕРМЕНТАТОРЫ И АППАРАТЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ФЕРМЕНТАЦИИ

Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия для студентов 3, 4 курсов, обучающихся по направлениям подготовки 19.03.01 «Биотехнология», 19.03.02 «Продукты питания

из растительного сырья», очной и заочной форм обучения

Учебное электронное издание

Тамбов Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»

2022

1

УДК 66.01(075.8) ББК ç280.73я73 Д64

Рецензенты:

Кандидат технических наук, ведущий инженер-технолог ООО «ЗАВКОМ ИНЖИНИРИНГ»

А. А. Ермаков

Доктор технических наук, профессор кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

В. Я. Борщев

Д64 Долгунин, В. Н.

Ферментаторы и аппараты для обработки продуктов ферментации [Электронный ресурс] : учебное пособие / В. Н. Долгунин, В. А. Пронин. – Тамбов : Издательский

центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2022. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROMМ, дисковод 17,5 Mb ; RAM ;

Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана. ISBN 978-5-8265-2497-8

Рассматриваются основные ферментационные процессы и аппараты для их реализации в биотехнологической промышленности. Представлены теоретические основы типовых процессов ферментации, принципы действия важнейших аппаратов.

Предназначено для студентов 3, 4 курсов, обучающихся по направлениям подготовки 19.03.01 «Биотехнология», 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья», очной и заочной форм обучения.

УДК 66.01(075.8) ББК ç280.73я73

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта

запрещено.

2

ВВЕДЕНИЕ

Основная цель курса – научить будущих специалистов оценивать эффективность процессов и оборудования ферментаторов с кинетической позиции процессов и аппаратов. Курс основывается на общих законах физики и химии, служит основой для теории биотехнологии. Ферментация представляет собой комплекс взаимосвязанных процессов (биохимических, тепловых, массообменных), протекающих в многофазной среде с различной интенсивностью в зависимости от вида культуры и свойств питательной среды. Указанное многообразие условий культивирования является причиной существования множества конструкций ферментаторов. Разнообразны и требования, предъявляемые различными отраслями народного хозяйства к продуктам, производимым методом биотехнологии. Микробиологические производства входят в состав и микробиологической, и пищевой, и медицинской промышленности, и, кроме того, процессы биосинтеза всё шире используются для очистки и утилизации промышленных стоков.

Освоение курса позволяет специалистам рационально выбрать технологический процесс, определить его оптимальные параметры, выявить пути интенсификации существующих процессов и совершенствования оборудования, провести технологический расчёт оборудования, основываясь на научно обоснованной базе. Курс относится к разделу общеинженерных дисциплин, прямо формирующих квалификацию инженера биотехнологического производства

(БТП).

Биохимические процессы. К ним относятся процессы, скорость протекания которых определяется кинетикой биохимических превращений, кинетикой роста популяции и т.п. К этим процессам относятся: процесс получения биомассы микроорганизмов и различного рода процессы биоконверсий с использованием вторичны метаболитов.

В соответствии с классификацией процессов различают следующие группы аппаратов/машин:

−гидромеханические аппараты;

−тепловые аппараты;

−массообменные аппараты;

−химическая аппаратура (реакторы);

−биореакторы, ферментаторы.

Общие кинетические закономерности технологических процессов. Зна-

ние кинетических закономерностей и процессов является важным для подбора, расчёта процессов и оборудования, а также их совершенствования и интенсификации. Несмотря на физико-химические особенности ранее рассмотренных процессов, наука о процессах и аппаратах позволяет сформулировать их общие кинетические закономерности.

Скорость процесса прямо пропорциональна его движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.

Величину, обратную сопротивлению процесса, принято называть коэффициентом скорости процесса.

3

1. ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

Для концентрирования и выделения целевого продукта биосинтеза ис-

пользуется разнообразное оборудование: выпарные установки, фильтры, кри-

сталлизаторы, флотаторы, мембранные аппараты и др.

Содержание целевого компонента в расчёте на сухое вещество составляет обычно от 2 до 10%. Выбор способа концентрирования зависит от многих фак-

торов (производительности, начальной и конечной концентрации вещества, его термочувствительности, химической активности).

Выделение продуктов из растворов биоактивных веществ осаждением,

кристаллизацией, ультрафильтрацией является часто экономически невыгод-

ным, особенно в крупнотоннажных производствах. Поэтому для предваритель-

ного концентрирования растворов биоактивных веществ широко используется процесс выпаривания.

При использовании процесса выпаривания необходимо учесть высокую термолабильность биоактивных веществ. Например: ферменты при температу-

ре 45 °C за 2 ч теряют активность на 20%, а при температуре 55 °C полностью инактивируются через 4–5 ч. Следует учесть также повышение химической ак-

тивности биоактивных веществ с повышением температуры. Например, при повышении температуры раствора лизина выше 60 °C, последний вступает в химическую реакцию с моносахаридами. Таким образом, снижение температу-

ры и времени обработки биоактивных веществ способствует повышению их выхода и качества.

Рекомендуются следующие максимальные температуры обработки био-

активных веществ: 30…35 °C – для кормовых веществ; 50…55 °C – для вита-

минов и антибиотиков; 70…80 °C – для кормовых, дрожжевых и других био-

масс.

Классификация выпарных аппаратов. Выпарными аппаратами называют устройства, предназначенные для концентрирования растворов, суспензий, пу-

тём испарения растворителя.

4

Выпарные аппараты классифицируются по следующим признакам:

− расположению поверхности нагрева (на горизонтальные, вертикаль-

ные, наклонные);

−виду теплоносителя (с обогревом паром, газом, высокотемпературным теплоносителем, электрообогревом);

−способу передачи раствора в трубчатку (с кипением раствора в труб-

ном или межтрубном пространстве);

− виду греющих элементов (с паровой рубашкой, с греющими трубами,

со змеевиками, смесительные);

− кратности циркуляции раствора (с однократной и многократной цир-

куляцией);

− способу организации циркуляции (с естественной или принудитель-

ной циркуляцией);

− величине рабочего давления (вакуумные, под атмосферным или избы-

точным давлением);

− режиму работы (периодические, непрерывные и др.).

Установки для упаривания бывают одно- и многокорпусными.

Многокорпусная установка содержит два или более последовательно со-

единённых выпарных аппарата. В таких аппаратах происходит многократное упаривание раствора при его переходе от одного корпуса к другому. При этом свежий первичный пар используется для организации процесса только в первом корпусе, а в каждых последующих корпусах в качестве греющего пара исполь-

зуется вторичный пар, образующийся в предыдущем корпусе. Для обеспечения необходимого перепада температур между раствором и греющем паром созда-

ётся перепад рабочего давления по корпусам от максимального – в первом, до минимального – в последнем корпусе.

При использовании двухкорпусной установки, удельный расход греюще-

го пара снижается на 40%, трёхкорпусной – на 60%, однако с увеличением чис-

ла корпусов увеличиваются тепловые потери, энергетические затраты на транс-

портирование и капитальные затраты.

5

Для упаривания дрожжевых суспензий культуральных жидкостей, содер-

жащих лизин, и других термолабильных растворов широко используются трёх-

корпусные вакуумные выпарные трубчатые аппараты со стекающей плёнкой.

Повторное использование затрачиваемого на упаривание тепла возможно и в однокорпусной установке путём использования принципа теплового насоса,

когда вторичный пар сжимается в эжекторе или компрессоре до температуры греющего пара и смешивается со свежим теплоносителем.

В связи с высокой термолабильностью биологических растворов наи-

большее распространение в микробиологических производствах получили трубчатые вакуумные выпарные аппараты. Особо вязкие термочувствительные вещества упаривают преимущественно с использованием роторных и центро-

бежных тонкоплёночных вакуумных выпарных аппаратов, характеризующихся малым временем пребывания упариваемого раствора в рабочей зоне аппарата.

1.1. ВАКУУМ-ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

Вакуум-выпарная установка периодического действия с принудительной циркуляцией предназначена для концентрирования относительно термоста-

бильных растворов в небольших объёмах.

Вакуум-выпарная установка периодического действия с принудительной циркуляцией состоит (рис. 1.1) из подогревательно-испарительного циркуляци-

онного контура, включающего подогреватель, выпарной аппарат, сепаратор-

брызгоуловитель, циркуляционную трубку с циркуляционным насосом и ваку-

умной системы, содержащей два последовательно установленных холодильни-

ка-конденсатора, со сборниками конденсата, вакуумный суховоздушный насос и приёмные ёмкости конденсата.

Подогреватель раствора представляет собой вертикальный цилиндриче-

ский аппарат с паровой рубашкой и коническим днищем. В подогревателе про-

дольно установлены паронагревательные трубчатые элементы, представляю-

6

шийся в первом и втором теплообменнике, собирается в сборниках, располо-

женных под теплообменниками, и выводится в накопительные ёмкости.

По мере упаривания раствора циркуляционный контур регулярно попол-

няется свежим раствором. После сгущения раствора до заданной концентрации выпаривание прекращают, давление сбрасывают, концентрат сливают через штуцер, используемый для закачки раствора.

Установка снабжена приборами дистанционного контроля вакуума и температуры греющего и вторичного паров.

Основные недостатки установки рассмотренной конструкции являются,

в первую очередь, следствием периодического режима её работы и заключают-

ся в невысокой производительности и большом времени пребывания продукта,

что не позволяет использовать установку для обработки термочувствительных материалов.

1.2. НЕПРЕРЫВНО ДЕЙСТВУЮЩИЕ ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ ТРУБЧАТОГО ТИПА

Трубчатые выпарные аппараты с естественной и принудительной цирку-

ляцией широко используются в микробиологических производствах для кон-

центрирования растворов и суспензий (производства БВК, гидролизных дрож-

жей, бактериальных препаратов, витаминных концентратов и др.). Аппараты с естественной и принудительной циркуляцией имеют большую конструктивную аналогию и в основном отличаются компоновкой составных узлов и наличием или отсутствием циркуляционного насоса.

Движущей силой в естественной циркуляции является разность плотно-

стей кипящей парожидкостной смеси в трубах и раствора в циркуляционной трубе. Раствор циркулирует по замкнутому контуру греющая камера – сепара-

ционная камера – циркуляционная труба – греющая камера.

Раствор нагревается при движении в трубах, поднимается в сепаратор, где от него освобождается, паровая фаза и выводится из аппарата. Очевидно, вели-

чина этой силы является ограниченной.

8

В связи с этим аппараты с естественной циркуляцией оказываются недос-

таточно эффективными при упаривании вязких (с вязкостью 0,6 Па·с и более),

а также пенящихся растворов. По причине небольших скоростей циркулирова-

ния таких растворов коэффициенты теплоотдачи оказываются относительно небольшими, что приводит к образованию накипи на поверхности нагрева и большому времени пребывания продукта в аппарате.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией характеризуются коэф-

фициентом теплопередачи около 900 Вт/(м2·°С), имеют поверхность нагрева от

24 до 796 м2 и производительность по испаряемой влаги до 120 т/ч.

В аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 1.2), вследствие высо-

кой скорости среды в греющих трубках удаётся преодолеть некоторые из ука-

занных недостатков. При использовании циркуляционного насоса скорость в трубках достигает 2…4 м/с, в результате чего возрастает коэффициент теплопе-

редачи до 1500 Вт/(м2·°С); раствор меньше пригорает и необходимое время его пребывания в аппарате уменьшается. Появляется возможность упаривать рас-

творы с высокой вязкостью (до 1,5 Па·с).

Уровень раствора в аппарате поддерживается на уровне верхней кромки трубы вскипания. Греющий пар подаётся в межтрубное пространство греющей камеры. Раствор, нагретый в греющей камере, поднимается по трубе вскипания и при достижении давления насыщения вскипает. Смесь жидкости, пара и час-

тиц твёрдой фазы выбрасывается в сепаратор. Вторичный пар, очищенный от капель жидкости, выводится через патрубок. Достаточно крупные частицы осе-

дают и выводятся через штуцер. Жидкость поступает в циркуляционную трубу и циркуляционным насосом вновь прокачивается через подогреватель. Через штуцеры, установленные на циркуляционной трубе, осуществляют ввод исход-

ного раствора и отвод концентрата.

Площадь поверхности теплообмена аппаратов с принудительной цирку-

ляцией от 20 до 896 м2. Мощность электродвигателя насоса от 17 до 320 кВт.

Аппараты могут работать как в непрерывном, так и в периодическом режиме.

9