Рис. 3.14. Схема контактного устройства ферментатора «Хемап»:
1 – окно; 2 – мешалка; 3,4 – диффузоры; 5 – барботёр
мешалки, которая помещается внутри двух концентрично установленных диф-
фузоров. Внутренний диффузор перфорирован и имеет окна для циркуляции газожидкостной смеси по малому контуру. Газ подаётся через барботёр под внутренний диффузор. При работе контактного устройства образуется также интенсивный циркуляционный контур среды вокруг внешнего диффузора.
3.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ФЕРМЕНТАТОРОВ
Исходные данные для расчёта представляют собой комплекс информа-
ции, касающейся кинетики процесса, технологических параметров его осуще-
ствления, а также свойств рабочей среды, таких как плотность среды ρ, дина-
мическая вязкость µ, удельная теплоёмкость c и теплопроводность λ. По дан-
ным ВНИИбиотехники, указанные свойства питательной среды изменяются в пределах ρ = 1060…1070 кг/м3, µ = 0,001…0,00155 Пас, с = 4186 Дж/(кг·°К),
λ = 0,6Вт /(м·°К).
Кинетика процесса существенно зависит не только от вида культуры, пи-
тательных свойств среды и гидродинамических условий выращивания, но и от режима проведения процесса. В зависимости от режима процесса получают
(раздел) либо периодическую (статическую) культуру – в периодическом ре-
жиме, либо непрерывную культуру – в непрерывном режиме. Кинетические ха-
75
рактеристики процесса в значительной степени зависят от того, в каком из ука-
занных режимов он протекает. На практике необходимые кинетические харак-
теристики определяют на основе опытных данных.
Анализ кинетики процесса позволяет определить параметры, необходи-
мые для технологического расчёта аппарата (скорость подачи компонентов среды (расходные коэффициенты): концентрацию целевого продукта, время культивирования, тепловыделение).
Комплекс исходных данных позволяет составить уравнения материально-
го и теплового балансов, определяющие величины соответствующих потоков.
Рост популяции организмов в ферментаторе может быть представлен в виде балансового уравнения, например, для культивирования на углеродосо-
держащем субстрате:
d S [S ]+ d O2 [O2 ]+ d N2 [N2 ]+ ... + d J [J ]→
→ d CO2 [CO2 ]+ d H2O [H2O]+ ... + d Met [Met]+ d S [S ]+ d q [q]+1[B] ,
где d – расходные коэффициенты по субстрату S, кислороду О2, азоту N2, и дру-
гим J компонентам, а также коэффициенты, отражающие выход углекислого газа CO2, воды Н2О, метаболитов Меt и тепла q в расчёте на 1 кг целевой био-
массы В.
Большой практический интерес представляет определение расходных ко-
эффициентов по субстрату, кислороду и теплу, по которым определяются необ-
ходимый объём субстрата, интенсивность аэрации и параметры теплообменных устройств. Обычно определяют их приближённые значения, пользуясь табли-
цами для того или иного микроорганизма и субстрата.
Коэффициент d q можно определить для случая получения биомассы как
d q = qS d S − qB ,
где qs и qB – удельные теплоты сгорания субстрата и биомассы соответственно.
Суммарное тепловыделение при производстве вторичных метаболитов определяется приближенно по формуле
Q2 = mS qS − mBqB − mПqП ,
76
где mS – масса исходного субстрата S; mB, mП – конечные массы биопродуцента
B и целевого продукта П; q – удельные теплоты сгорания соответствующих веществ.
При технологическом расчёте периодически действующего ферментатора время культивирования tк является важнейшей технологической характеристи-
кой процесса. Объём ферментатора вычисляют с её учётом в виде
V = |
|
|
Gtц |
|
|
|
|
, |
ρ |
ср |
xϕ(1− β |
г |
− К |
у |
) |
||
|
|
|
|
|
|
|||
где tц – время цикла ферментации; |
G – производительность по биомассе; x – |
|||||||
концентрация биомассы; φ – коэффициент заполнения аппарата; βг – коэффи-
циент газонаполнения культуральной среды; Ку – доля рабочего объёма, заня-
того контактным устройством.
Время цикла вычисляют как
tц = tк + tстер + tзагр + tвыгр ,
где tк – время культивирования; tстер – время стерилизации аппарата; tзагр – время
загрузки; tвыгр – время выгрузки.
При известной скорости подачи компонентов среды и концентрации це-
левого продукта объём непрерывно действующего аппарата можно определить
по формуле
Va = |
|
G |
, |
|
Dy(S0 |
− S )(1 − βг − Ку) |
|||
|
|
где S0, S – концентрация субстрата в исходной среде и в ферментаторе соответ-
ственно; G – производительность ферментатора по сухой культуре; D – ско-
рость разбавления среды; y – экономический коэффициент.
77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном учебном пособии рассмотрены теоретические положения, клас-
сификация основных технологических процессов ферментации и аппаратов для их реализации в биотехнологической промышленности. Представлены основ-
ные типовые процессы и оборудование для реализации ферментации, принци-
пы действия важнейших аппаратов.
Материал пособия подобран из различных литературных источников и обработан на единой методической основе, что позволяет углублённо изучать дисциплину «Оборудование систем ферментации» и активизировать самостоя-
тельную творческую работу студента.
Полученные знания будут необходимы при профессиональной подготов-
ке бакалавров по направлению подготовки «Биотехнология», при решении практических задач, непосредственно связанных с эксплуатацией и интенсифи-
кацией производственных процессов.
Создание и совершенствование биотехнологических производств, спо-
собствующих улучшению качества выпускаемой продукции, экономии матери-
альных и энергетических ресурсов, охране окружающей среды – главная задача технического прогресса, которую предстоит решать молодым специалистам в настоящее время и в перспективе.
78