менник-десублиматор и вакуумный насос. Десублиматор представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. Сублиматор работает сначала как охлаж-

дающая морозильная камера загруженного на полки материала. При этом внутрь полок насосом подают охлаждающий агент, который предварительно охлаждается в холодильной установке. Затем сублиматор работает в режиме сушилки. При этом в полости полок уже другим насосом и по другим трубо-

проводам подаётся теплоноситель для сублимирования влаги из материала.

Образующиеся при сушке пары откачиваются вакуумным насосом и кон-

денсируются в теплообменнике – десублиматоре. При этом паровоздушная смесь из сублиматора подаётся в межтрубное пространство десублиматора,

а через трубы пропускается хладагент (аммиака, фреон), поступающий из холо-

дильной установки.

Для охлаждения сублиматора и десублиматора используют двухили трёхступенчатые компрессорные холодильные установки, способные обеспе-

чить захолаживание сред до –40…–60 °C. Десублимируемые пары превраща-

ются в лёд и оседают на наружный поверхности труб. По мере накопления льда в трубы десублиматора подают горячую воду и откачивают оттаявшую воду.

Несмотря на то, что сублимационные сушилки характеризуются повы-

шенными удельными энергозатратами и невысокой производительностью (око-

ло 200 кг/ч для полунепрерывно действующей сушилки) чрезвычайно щадящий режим сушки делает их незаменимыми при сушке ряда продуктов, отличаю-

щихся высокой термолабильностью.

2.5. РАСЧЁТ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Порядок расчёта сушильного аппарата зависит от комплекса исходных данных. В некоторых случаях непосредственно расчёту предшествует работа по определению недостающих технологических параметров и характеристик про-

цесса (температуры сушки, равновесных данных, типа теплоносителя, схемы движения потоков, режима работы и даже способа сушки).

Вслучае ограниченных возможностей по определению исходных данных,

втом числе по тепломассообменным свойствам материалов, расчёт может быть проведён по обобщённым опытным данным (результатам исследований, произ-

41

водству аналогов) с использованием удельных значений производительности того или иного вида сушилок по испаряемой влаге.

Различают два вида показателей удельной производительности сушилок,

а именно в расчёте на единицу:

1) рабочего объёма AV, кг влаги/м3 (барабанная, кипящего слоя, распыли-

тельная);

2) площади рабочей поверхности AF, кг влаги (контактные, ленточная,

полочная).

Соответственно, рабочий объём сушилок объёмного принципа действия

вычисляется как

V = W / AV ,

где W = G(Cн − Cк ) – производительность сушилки по удаляемой влаге; G –

производительность сушилки по абсолютно сухому материалу; Сн, Ск – началь-

ное и конечное абсолютное влагосодержание материала.

Площадь рабочей поверхности для сушилок поверхностного типа дейст-

вия определяется как

F = W / AF .

Уточнённый расчёт процесса сушки и сушильного аппарата. При нали-

чии информации по тепломассообменным свойствам материала для частиц,

форма которых близка к правильной (сфера, цилиндр, пластина), основной тех-

нологический параметр процесса – время сушки, определяется с использовани-

ем аналитических решений уравнения массопроводности. Результаты решений представляются в виде зависимостей для безразмерных чисел, характеризую-

щих процесс. Изменение влагосодержания материала в процессе сушки Е(τ)

определяется как функция массообменных чисел Био Bim и Фурье Fom:

E(τ) = C − Cp = f (Bim , Fom ) , Cн − Cp

эффициент массоотдачи; k – коэффициент массопроводности; l – характерный размер частицы материала (половина толщины пластины, радиус шара или ци-

линдра); τс – время сушки.

42

Такого рода зависимости приводятся в специальной литературе в виде графиков и позволяют определить время сушки частиц с известными свойства-

ми в конкретных условиях тепломассообмена с сушильным агентом. Для опре-

деления времени сушки при регламентном значении среднеобъёмного влагосо-

держания С = Ск вычисляют безразмерное влагосодержание Е и при известном

Bim находят соответствующее им значение числа Fom и определяют время сушки:

τc = Foml 2 .

k

Приведённый вариант вычисления времени сушки возможен только в изотермических условиях процесса и при относительно стабильных значениях коэффициента массопроводности в диапазоне влагосодержаний от Ск до Сн.

В противном случае время сушки вычисляют в результате решения нелинейной задачи массопроводности, когда коэффициент массопроводности определяется как функция концентрации влаги и температуры.

Вычисленное таким образом время сушки является комплексным кинети-

ческим параметром, учитывающим движущую силу и сопротивление процессу массопереноса. При известном времени сушки технологический расчёт сушил-

ки, как правило, не вызывает затруднений, что можно продемонстрировать на примере расчёта ленточной сушилки.

Технологический расчёт ленточной сушилки. Производительность су-

шилки при определении её через производительность ленточного транспортёра выражается как

G = Bhvлρн ,

где В – ширина ленты (подбирается по каталогу); h – высота слоя материала; vл – скорость ленты; ρн – насыпная плотность материала.

При известном времени сушки необходимая длина рабочей поверхности ленты вычисляется как

Lл = vлτс .

При выборе сушилки по каталогу подбирают сушилку(ки) с транспортё-

ром, обеспечивающим заданную производительность и время пребывания ма-

териала в аппарате.

43

3. ФЕРМЕНТАТОРЫ

Основной стадией любого микробиологического производства, во многом определяющей эффективность технологии в целом, является культивирование микроорганизмов. Культивирование проводится в аппаратах, называемых в общем случае ферментаторами.

Стадия культивирования имеет своей целью получение биомассы микро-

организмов или продуктов их жизнедеятельности (метаболитов) и может осу-

ществляться либо глубинным способом, либо поверхностным. При этом усло-

вия культивирования могут быть как аэробными, так и анаэробными. Пита-

тельные среды характеризуются разнообразными физико-механическими свой-

ствами, поскольку выращивание культур проводится с использованием и жид-

ких, и твёрдых субстратов.

Ферментация представляет собой комплекс взаимосвязанных процессов

(биохимических, тепловых, массообменных), протекающих в многофазной сре-

де с различной интенсивностью в зависимости от вида культуры и свойств пи-

тательной среды. Указанное многообразие условий культивирования является причиной существования множества конструкций ферментаторов. Разнообраз-

ны и требования, предъявляемые различными отраслями народного хозяйства к продуктам, производимым методом биотехнологии. Микробиологические про-

изводства входят в состав и микробиологической, и пищевой, и медицинской промышленности, и, кроме того, процессы биосинтеза всё шире используются для очистки и утилизации промышленных стоков.

В промышленности в основном используется глубинное культивирова-

ние, несмотря на то, что поверхностное имеет ряд существенных преимуществ.

Так, в случае поверхностного культивирования скорость биосинтеза ферментов в 5 – 8 раз больше, и получаемая культура содержит примерно в 2 раза меньше влаги (40…50%), чем глубинная культура.

Всё большее промышленное применение находит способ поверхностного культивирования микроорганизмов на твёрдых питательных средах, несмотря на серьёзный сдерживающий фактор – отсутствие надёжных и высокомехани-

зированных установок. В настоящее время для реализации этого способа ис-

44

пользуется большое количество разнообразных по конструкции ферментато-

ров – растильных установок и аппаратов.

Классификация ферментаторов. Классификация оборудования для куль-

тивирования микроорганизмов и производства продуктов их жизнедеятельно-

сти (метаболитов) может быть осуществлена на основе нескольких классифи-

кационных признаков. Среди этих признаков основными являются:

−способ и условия культивирования;

−способ подвода энергии в среду в целях обеспечения требуемого гид-

родинамического режима;

− конструктивные признаки.

В зависимости от способа и условий культивирования различают фермен-

таторы:

−для поверхностного культивирования на твёрдых питательных средах;

−для глубинного аэробного культивирования;

−для глубинного анаэробного культивирования.

В зависимости от способа подвода энергии в среду, в целях обеспечения необходимых гидродинамических условий, ферментаторы подразделяются на три группы:

1) с подводом энергии в газовую среду (барботажные, эрлифтные,

струйные и др.); 2) с подводом энергии в жидкую фазу (эжекционные, с внешней цирку-

ляцией и др.); 3) с комбинированным подводом энергии – барботажные с механиче-

ским перемешиванием.

В соответствии с конструктивным признаком различают ферментаторы:

−колонные;

−камерные;

−шахтные;

−барабанные и др.

Помимо основных, существует множество других классификационных признаков, например:

а) по степени стерильности:

45

−стерильные;

−условно стерильные;

−нестерильные;

б) по режиму движения среды:

−идеального перемешивания;

−промежуточного типа;

−идеального вытеснения и др.

Кинетические закономерности процесса культивирования. Процессы культивирования микроорганизмов и получение метаболитов осуществляется в весьма сложной многофазной системе.

Закономерности культивирования связаны с протеканием комплекса взаимосвязанных процессов теплопереноса, массопереноса и собственно био-

химического превращения. В связи с этим кинетика культивирования зависит от природы микроорганизмов, их морфологических и физиологических особен-

ностей, вида и свойств субстратов, интенсивности аэрации, перемешивания, те-

плового режима и др. Сложность математического описания всего комплекса взаимосвязанных процессов является причиной отсутствия общей модели куль-

тивирования в ферментаторе. В настоящее время масштабный переход при про-

ектировании ферментаторов возможен в общем случае только по ряду отдель-

ных их узлов.

Для описания кинетики процесса культивирования необходимо отразить процессы, протекающие как на макроуровне, так и на микроуровне, т.е. на уровне агрегатов клеток и отдельных клеток. В настоящее время нет достаточ-

ной информации для описания процесса на уровне отдельной клетки, поскольку последние не одинаковы как по возрасту, так и по физиологической активно-

сти. Недостаточно изучено и влияние метаболитов на жизнедеятельность кле-

ток. В связи с этим при проектировании ферментаторов приходится ограничи-

ваться учётом закономерностей роста всей популяции микроорганизмов.

Кинетика роста культуры существенно зависит от режима её культивиро-

вания. В зависимости от режима процесса получают либо периодическую (ста-

тическую) культуру в периодическом режиме, либо непрерывную (в непрерыв-

ном режиме).

46

Периодическая культура выращивается в ограниченном объёме без под-

вода дополнительного субстрата и отвода продуктов метаболизма. В этом слу-

чае кинетика роста популяции микроорганизмов описывается в логарифмиче-

ских координатах S-образной кривой (рис. 3.1), на которой принято выделять шесть фаз развития с условными границами между ними.

Первая фаза развития связана с «подготовительными» процессами, про-

текающими в живых клетках перед их размножением. В этот период, называе-

мой лаг-фазой, происходит набухание клеток без существенного изменения концентрации популяции.

Вторая фаза относится к небольшому по времени периоду увеличиваю-

щейся скорости роста популяции от нулевого до максимального:

µ (0, µmax),

где μ = 1 dx , c–1 – удельная скорость роста биомассы; х – концентрация био- x dt

массы.

Третью фазу развития популяции называют экспоненциальной или лога-

рифмической (логфазой). Она характеризуется постоянным значением скорости роста микроорганизмов, равной максимальной (µmax). Увеличение концентра-

ции биомассы в этой фазе описывается уравнением x = x0exp(µmaxt), что соот-

ветствует линейной зависимости lnx от времени: lnx = µmaxt + x0, где x0 – кон-

Рис. 3.1. Изменение концентрации:

а – скорости роста; б – популяции; I – VI – фазы роста

47

концентрация биомассы в начале лог-фазы. Тангенс угла наклона этой удель-

ной скорости роста и зависит от свойств культуры, качества питательной сре-

ды, условий культивирования и других факторов. Таким образом, µmax может быть определена как

µmax = (lnx2 – ln x1) / (t2 – t1),

где x1 и x2 – экспериментальные значения концентраций биомассы в момент времени t1 и t2 соответственно.

На четвёртой фазе развития культуры скорость роста замедляется, в связи с чем эта стадия называется ещё стадией отрицательного ускорения роста. Та-

кая динамика развития популяции связана с тем, что часть её особей теряет способность к росту, а другая продолжает медленный рост.

На следующей (пятой) фазе скорости роста и отмирания микроорганиз-

мов выравниваются, и популяция пребывает в фазе стационарного развития.

Последняя (шестая) фаза существования популяции сопровождается уменьшением концентрации биомассы, что связано с автолизом клеток.

Таким образом, в общем случае удельная скорость роста является в про-

цессе роста переменной величиной. Среднее её значение для всего периода культивирования определяют как

µср = (lnxк – ln x0) / (tк – t0),

где x0, xк – концентрация биомассы в начальный t0 и конечный tк моменты вре-

мени.

В зависимости от вида целевого продукта процесса культивирования по-

следний может быть остановлен на той или иной фазе развития периодической культуры. Например, если целевым продуктом являются сами микроорганизмы,

часто целесообразно прервать процесс на фазе замедления роста (IV фаза). Та-

ким образом назначают рациональное время культивирования. На практике время культивирования определяют на основе либо лабораторных, либо про-

мышленных данных, полученных в аналогичных условиях (по составу среды,

гидродинамике, температуре, давлению и т.д.).

Непрерывное культивирование протекает в ферментаторе при непрерыв-

ном поступлении сырья и непрерывном отборе культуральной среды вместе с

48

приросшей биомассой и продуктами метаболизма. В непрерывном процессе после выхода аппарата на режим концентрации биомассы субстратов и продук-

тов метаболизма становятся постоянными.

Непрерывная культура может быть получена практически при любой концентрации биомассы, соответствующей кинетической кривой периодиче-

ской культуры. Это достигается за счёт обеспечения необходимого среднего пребывания в аппарате культуральной среды. Наиболее целесообразно в про-

мышленных условиях стабилизировать процесс в фазе уменьшающейся скоро-

сти роста популяции. При этом достигается высокая степень использования субстрата при максимальных скоростях роста.

Большое влияние на развитие популяции микроорганизмов оказывает гидродинамическая обстановка в ферментаторе, поскольку она непосредствен-

но определяет интенсивность массо- и теплообменных процессов. В общем случае ферментационной средой является трёхфазная система (газ– жидкость– клетки), которая относится к классу неньютоновских жидкостей. Часто жидкая фаза представляет собой комплекс несмешиваемых жидкостей, одна из которых является субстратом, другая метаболитом и т.п. Живые клетки склонны к агломерированию, пузырьки газа и отдельные капли жидких компонентов – к

коалесценции. Все названные обстоятельства существенным образом опреде-

ляют удельную величину эффективной поверхности массо- и теплообмена.

Таким образом, гидродинамическая обстановка в аппарате будет влиять на кинетику тепловых и массообменных процессов с двух сторон, определяя:

1)кинетические коэффициенты переноса;

2)удельную поверхность межфазного контакта.

Газовой фазой являются воздух и углекислый газ, выделяющийся в про-

цессе жизнедеятельности. Вместо воздуха может присутствовать либо метан,

либо водород, если культивирование происходит на иной основе.

Важнейшим показателем распределенной газовой фазы является её удельная поверхность‚ определяемая как

a = 6Ф , dг

49

где Ф – газосодержание среды (Ф = 0,2…0,5); dг – средний диаметр пузырьков

(dг = 3…5 мм).

В зависимости от величины энергии, вводимой в среду при перемешива-

нии, удельная поверхность газовой фазы составляет a = 200…500 м2/м3 при

Nуд = 2…4 кВт·м–3 и a = 1000 м2/м3 при Nуд = 10…12 кВт·м–3 . При дальнейшем увеличении удельных затрат энергии величина а практически не увеличивается.

Следует обратить внимание, что в процессе культивирования происходит существенное изменение свойств фаз и межфазного взаимодействия. В ряде случаев такая эволюция фаз культуральной среды учтена в соответствующих расчётных зависимостях.

Ферментационные среды, являясь неньютоновскими жидкостями, харак-

теризуются коэффициентами вязкости, зависящими от скорости сдвига. Как правило, с увеличением скорости сдвига от центра вращения к периферии ме-

шалок вязкость увеличивается. В периферийных же зонах ферментатора при малых скоростях сдвига вязкость наибольшая и её можно считать постоянной по объёму. Уменьшение вязкости с увеличением скорости сдвига во многом связано с уменьшением размера и числа агломератов в таких условиях.

В проектных расчётах перемешивающих устройств используют осред-

нённую скорость сдвига. Для мешалок турбинного типа осреднённую скорость сдвига Ј в направлении нормали к линиям тока жидкости определяют по фор-

муле

j = Kn,

где K = 11…13.

С повышением интенсивности перемешивания увеличивается скорость массообменных процессов, и вследствие ослабления лимитирующих факторов интенсифицируются биохимические превращения. Однако такая интенсифика-

ция имеет место до определённого момента, после которого сопротивление процесса полностью определяется кинетической областью, а диффузионное со-

противление становится пренебрежимо малым.

Следует иметь в виду, что при дальнейшем, чрезмерном повышении ин-

тенсивности перемешивание возможно деструктивное воздействие на микро-

организмы.

50

При проектировании перемешивающих устройств-ферментаторов обычно придерживаются принципа, что перемешивание имеет своей основной целью обеспечить массопередачу газовой основы (кислорода, метана, водорода) к

микроорганизмам и двуокиси углерода в обратном направлении. Принимается,

что условие массопередачи по газам и в первую очередь по газу-субстрату (ки-

слороду, метану, водороду) выполняется, интенсивность перемешивания доста-

точна, т.е. обеспечивается достаточно интенсивный перенос в микробную клет-

ку всех субстратов, микро- и макроэлементов с отводом из клетки в среду угле-

кислого газа, антибиотиков, аминокислот, ферментов.

При аэробном культивировании одним из основных субстратов является кислород, потребность в котором в расчёте на 1 кг сухой биомассы в зависимо-

сти от вида других субстратов может составлять 0,5…0,7 кг.

Поскольку растворимость кислорода в жидкой фазе низкая (7…8 мг/л),

требуется постоянная и интенсивная аэрация среды.

В теории переноса кислорода из газовой фазы в клетку наиболее распро-

странена модель стационарной жидкой плёнки (рис. 3.2).

В соответствии с этой теорией сопротивление массопереносу сосредото-

чено в жидких плёнках, одна из которых окружает газовый пузырь, а другая клетку или агломерат клеток и плёнки газа по периферии пузыря, причём со-

Рис. 3.2. Схема переноса газа из пузырька к клетке в соответствии с моделью формирования плёнок на границе раздела фаз:

1 – пузырёк; 2 – плёнка газа; 3 – плёнка жидкости; 4 – клетка

51