ложена над барботёром, выполненным в виде разборного ромба, в целях дис-

пергирования пузырьков газа. Привод мешалки установлен на крышке и пред-

ставляет собой мотор-редуктор, который в целях бесступенчатого регулирова-

ния скорости вращения мешалки в диапазоне 110…250 мин–1 имеет либо двига-

тель постоянного тока, либо тиристорный преобразователь. Уплотнение вала торцевое с термическим затвором типа ТТ.

Для отвода физиологического тепла аппарат снабжён многоярусной ру-

башкой, выполненной либо из уголков, либо продольно разрезанных труб, на-

варенных на корпус. Кроме того, в аппарате по периферии мешалок установле-

ны вертикально четыре многосекционных змеевика. Аппарат работает при ко-

эффициенте заполнения 0,5…0,7.

На крышке аппарата расположены штуцеры для загрузки среды и посев-

ного материала, пеногасителя, сифона, отвода воздуха, установки КИПиА. Хи-

мические пеногасители быстро разрушают пену в верхней части ферментатора,

быстро распределяются по объёму и регулируют пенообразование. Фермента-

тор объёмом 63 м3 экономически целесообразен в малотоннажных производст-

вах. На заводах же большой мощностью перспективными являются фермента-

торы объёмом до 500 м3.

Аппараты с комбинированным подводом энергии характеризуются ин-

тенсивным массо- и теплообменом в средах с широким диапазоном вязкости при культивировании бактерий, актиномицетов, дрожжей, грибов и других микроорганизмов.

3.2.2. ФЕРМЕНТАТОРЫ С ПНЕВМАТИЧЕСКИМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

К этому типу ферментаторов относятся аппараты, в которых подвод энер-

гии на перемешивание среды осуществляется с газовой фазой с использованием форсунок, диффузоров, барботёров и др. При этом воздух выполняет и другие важные функции, заключающиеся в снабжении микроорганизмов газообразным субстратом и отводе продуктов метаболизма. Процессы аэробного культивиро-

вания сопровождаются интенсивным пенообразованием и, особенно, в фермен-

таторах с пневматическим перемешиванием. Пенообразование зависит от свойств среды и интенсивности её перемешивания. С увеличением количества пены до некоторого предела интенсивность ферментации повышается, но при

69

обильном пенообразовании снижается полезный объём аппарата и нарушается режим биосинтеза.

Устойчивые пены образуются при производстве аминокислот, антибио-

тиков, ферментов, что приводит к необходимости проводить процесс при ко-

эффициенте заполнения аппарата 0,5…0,7 и применять средства пеногашения.

Различают химическое, механическое и комбинированное пеногашение.

Химическое пеногашение заключается в дозированном введении пенога-

сителя в среду и распределении его по объёму. Пеногаситель снижает поверх-

ностную активность веществ среды, уменьшает толщину плёнки в пузырьках до их разрушения. Однако пеногасители являются дефицитными веществами,

которые, к тому же, отрицательно влияют на кинетику культивирования и каче-

ство продукта. В связи с этим перспективными являются механические пенога-

сители.

Механическое пеногашение широко используется в ферментаторах мало-

го объёма (до 100 м3). Механический пеногаситель представляет собой, в прин-

ципе, элементарный узел газожидкостного сепаратора, рабочие органы которо-

го одновременно и разрушают пену, и отделяют газ от жидкости.

Простейшая конструкция механического пеногасителя с плоским диском представлена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Механический пеногаситель:

1 – привод; 2 – уплотнение; 3 – диск; 4 – патрубок

70

При вращении диска пузырьки пены под действием центробежных сил разрушаются, и жидкость отбивается от газа. Наибольший эффект пеногашения достигается при комбинированном способе пеногашения. В этом случае на ра-

бочие элементы пеногасителя дозируется химический пеногаситель, который снижает поверхностное напряжение на границе газ– жидкость. В этом случае механический пеногаситель выполняет, кроме того, и функцию распределителя химического пеногасителя.

Барботажные ферментаторы обычно являются аппаратами небольшого объ-

ёма и используются при получении чистых культур микроорганизмов и в произ-

водстве пищевых дрожжей. Барботажные аппараты большого объёма использу-

ются в МБП в качестве аэротенков при биологической очистке сточных вод.

В качестве барботёров используют перфорированные трубки, соединённые

ввиде колец, ромбов, лучей и т.п., а иногда и пористые керамические трубки.

Существенный недостаток барботажных ферментаторов – неоднород-

ность культуральной среды по высоте. В нижних слоях наибольшая концентра-

ция растворённого газообразного субстрата и наименьшая концентрация мик-

роорганизмов. Аппараты характеризуются небольшими величинами межфазно-

го массообмена вследствие недостаточно интенсивного перемешивания.

Примером ферментатора барботажного типа перспективной конструкции является шаровой ферментатор. Он имеет сферический корпус, рассчитанный для работы под повышенным давлением 0,5 МПа. Внутри корпуса установлены центральный и восемь периферийных диффузоров, под которыми смонтирова-

ны барботёры.

При пневматическом перемешивании образуются циркуляционные пото-

ки: поднимающиеся в диффузорах и опускающиеся по периферии диффузора.

Это позволяет существенно повысить скорость абсорбции газа по сравнению с классической конструкцией за счёт давления и более активной гидродинамики среды. Последние факторы позволяют в совокупности увеличить раствори-

мость и скорость растворения газа в жидкости.

Ферментатор цилиндрический с пневматическим перемешиванием. Кон-

струкции многих узлов этого ферментатора (рис. 3.12) аналогичны конструкции узлов ферментатора объёмом 63 м3 с комбинированным вводом энергии в сре-

ду. Отличается он тем, что в нём отсутствуют барботёр и мешалка, а имеется пневматическое аэрирующее устройство, выполненное в виде трубы, которая опущена до дна аппарата по его центру. На нижнем конце трубы установлена розетка для тангенциального струйного ввода воздуха в среду.

71

Воздух, выходящий из форсунки с большой скоростью, диспергируется в жидкой среде и образует газово-эмульсионную фазу. Эта фаза имеет меньшую плотность и устремляется вверх. Вследствие же разряжения в устье факела культуральная среда подсасывается сюда из окружающего объёма. В итоге око-

ло каждого факела образуется циркуляционный контур с восходящим потоком по его центру и нисходящий по периферии.

Ферментаторы этого типа имеют небольшой объём (до 15 м3) и исполь-

зуются для стерильного выращивания посевного материала.

3.2.3. ФЕРМЕНТАТОРЫ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ И ИНТЕНСИВНЫМ МАССООБМЕНОМ

Эти ферментаторы функционируют за счёт подвода энергии к жидкой фазе.

Обычно это цилиндрические вертикальные аппараты, в которых обеспечиваются высокие линейные скорости при внутренней циркуляции среды (до 2…3 м/с).

В результате этого достигается высокая однородность среды в аппарате. Обычно они отличаются конструктивно наличием турбинного перемешивающего устрой-

ства, располагаемого либо на нижнем, либо на верхнем конце диффузора.

К ферментаторам интенсивного массообмена относятся аппараты конструк-

ции ЛенНИИхиммаша и ВНИИбиотехники. Ферментатор ФВО-40-0.6 (рис. 3.13)

имеет вертикальный цилиндрический корпус с рубашкой водяного охлаждения.

Внутри корпуса осесимметрично ему закреплёна циркуляционная труба. В ниж-

ней части трубы установлена винтовая мешалка, получающая вращение от нижне-

го привода. Выше мешалки расположены коллекторы и трубы встроенного тепло-

обменника, который при необходимости легко извлекается из аппарата.

В зазоре между верхним концом трубы и корпусом размещён распредели-

тельный короб аэрирующего воздуха. На крышке корпуса установлен пенога-

ситель и люк для механической мойки ферментатора.

Мешалка приводится во вращение от электродвигателя через клиноре-

менную передачу и имеет частоту вращения 280 и 350 мин–1 . Уплотнение вала торцевое.

Аппарат рассчитан на давление 0,3 МПа и может работать как в периоди-

ческом, так и непрерывном режимах. Он имеет систему автоматизации, регули-

рующую температуру, рН, концентрацию О2, биомассы и др. После заполнения стерильного аппарата средой приводят в действие мешалку, которая заставляет циркулировать среду по замкнутому контуру. Компримированный стерильный

73