Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Оборудование, аппараты и приборы микробиологических производств. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 97 8 9 > Следующая >>>

Принцип работы вакуум-охладительного аппарата. Нейтра-

лизат непрерывно вводится в верхнюю I секцию аппарата через штуцер с раструбом. За счет разрежения давление в этой секции составляет 22,5 КПа (вакуум 78 %) и происходит частичное испарение нейтрализата. Пары самоиспарения направляются в межтрубное пространство конденсатора с той же степенью разрежения, конденсируются, и конденсат через гидравлический затвор стекает в нижележащий конденсатор. Неконденсирующиеся пары и газы отсасываются пароэжектором. Частично охлажденный нейтрализат через гидравлический затвор направляется в следующую секцию. Пройдя последовательно четыре секции, нейтрализат уходит из последней секции, имеющей давление 5,7 КПа (вакуум 94 %) и температуру около 40–45 °С. Конденсат паров самоиспарения нейтрализата, также пройдя последовательно сверху вниз четыре ступени конденсаторов, уходит из последней с температурой аналогичной нейтрализату.

Охлаждение нейтрализата путем самоиспарения повышает биологическую доброкачественность нейтрализата вследствие удаления с парами самоиспарения комплекса легколетучих компонентов, отрицательно влияющих на рост микроорганизмов. На вакуумохладительных установках за счет самоиспарения объем нейтрализата, уходящего из последней ступени, снижается на 5–7 %.

Нейтрализат, содержаний питательные соли, освобожденный от грубых взвешенных частиц и вредных растворимых веществ, с температурой в пределах 30 °С называется суслом.

В настоящее время на гидролизных заводах используются установки производительностью по нейтрализату 60, 100 и 150 м3/ч, основные параметры которых приведены ниже.

Производительность по нейтрализату, м3/ч 60,0 100,0 150,0

Диаметр внутренний, мм 2 000 2 600 2 600

Высота, мм 18 410 17 550 18 270

Масса, т 26,5 46,4 60,0

3.2. БАТАРЕЯ ФЕРМЕНТЕРОВ

Общие сведения. Основной стадией в производстве любого

продукта микробного синтеза, от которой во многом зависит эффективность технологии, является стадия культивирования микроорганизмов в аэробных или анаэробных условиях.

Современные микробиологические производства представляют собой, сложные технологические системы, включающие большое

количество аппаратов, где в определенной последовательности осуществляются периодические или непрерывные процессы, направленные на получение продуктов микробиологического синтеза.

Учитывая исключительное разнообразие сырья и продуктов микробного синтеза, целесообразно классификацию ферментаторов проводить в зависимости от осуществляемых в них процессов, которые по своим технологическим характеристикам делятся на следующие основные группы: 1) аэробные, анаэробные; 2) периодические, непрерывные (полунепрерывные, приточные, отборно-приточные и т. д.);

3) стерильные, условно стерильные, нестерильные; 4) целевой продукт находится в клетках, вне клеток нужна биомасса; 5) глубинные, поверхностные (жидкие и твердофазные среды), биокаталитические реакции, осуществляемые при помощи клеток или их компонентов на носителях (иммобилизованные системы); 6) идеального перемешивания, промежуточного состояния перемешивания, идеального вытеснения, батарейные схемы, секционные аппараты для циклических процессов; 7) глубинные процессы на растворимых и с содержанием нерастворимых (жидких или твердых) субстратов; 8) глубинные процессы для различных групп микроорганизмов (бактерий, дрожжей, микроскопических грибов, растительных и тканевых клеток и др.) с учетом реологии; 9) лабораторные (исследовательские), пилотные, промышленные.

Перечисленные группы процессов не равноценны по влиянию на конструкции именно ферментаторов. Так, характеристики, отмеченные в п. 2. 3, 4, главным образом влияют на комплектацию ферментаторов (технологических линий) вспомогательным оборудованием и приборами.

Классификация ферментаторов. Известны различные конст-

рукции отечественных и зарубежных промышленных ферментаторов, отличающиеся объемом, производительностью, массобменными характеристиками и другими особенностями. Эти отличия часто связаны с тем, что при конструировании ферментаторов учитывается ряд факторов, к которым относятся, например, специфические свойства субстратов, морфологические и физиологические способы культивирования (в асептических условиях или без соблюдения асептики в периодических или непрерывных условиях), физико-химические свойства ферментационных сред.

Известны классификации ферментаторов, которые группируются по конструктивным признакам, способам подвода энергии, перемешивания (пневматическое или механическое), аэрации и др.

Значительная часть ферментаторов подразделяется на три группы по способу подвода энергии. К первой группе относятся ферментаторы с подводом энергии в газовую фазу: барботажные, барботажноэрлифтные, колонные, форсуночные. Во вторую группу включены ферментаторы с подводом энергии в жидкую фазу: эжекционные, с самовсасывающей турбинной мешалкой, с внешним циркуляционным контуром. Третья группа

состоит из ферментаторов с комбинированным подводом энергии – барботажных с механическим подводом энергии.

Ферментаторы для процессов брожения. Аппараты для сбра-

живания сахара называют бродильными чанами. В начале на гидролизных заводах осуществляли брожение в бродильных чанах периодического действия, так называемым осадочно-складочным методом. Бродильный чан представлял вертикальный цилиндрический резервуар

емкостью 100 и 200 м

из деревянной клепки, снабженный поплавко-

вым декантатором, кольцевым распределителем сусла и штуцером для окончательного опорожнения. Чан не имел крышки и влажный углекислый газ выделялся в рабочее помещение. Низкий выход спирта, длительное время брожения (в среднем 48 ч), большое число операций, сложный контроль и учет процесса брожения послужили поводом к переходу в 1937

г. Ленинградского гидролизного завода на сбраживание с сепарированием и повторным использованием дрожжей. Вслед за этим в 1939 г. завод перешел на непрерывный сепарационный метод брожения и по настоящее время этот метод – единственный на всех гидролизных заводах. Постепенно деревянные чаны были

повсеместно заменены на металлические емкостью до 450 м

. Техно-

логия и аппаратура спиртового брожения гидролизного производства за последние 15 лет практически не совершенствовались, так как внимание всей промышленности было переключено на создание индустриального производства кормовых белково-витаминных дрожжей из всех видов Сахаров, получаемых методом гидролиза растительных тканей. В этот период на гидролизно-спиртовых заводах стали применять герметичные

бродильные чаны с организованным сбросом или использованием углекислого газа и современные конструкции дрожжевых сепараторов, что следует отнести к заслугам машиностроителей.

Наиболее совершенным из действующих на биохимических заводах ферментаторов (бродильных чанов) является вертикальный цилиндрический стальной сварной аппарат (рис. 3.2) с коническими днищем и крышкой. Внутри аппарата имеется выгребное устройство.

Вертикальный вал выгребного устройства соединен муфтой с приводным механизмом, который смонтирован на металлической раме устроенной на крышке. Внизу у днища к валу прикреплены две лопасти со скребками. Скребки расположены под углом 30° к оси лопастей и состоят из стальной полосы и прорезиненной ткани, соприкасающейся с днищем ферментатора.

Рис. 3.2. Ферментатор:

1 – штуцер для дрожжевой суспензии; 2 – для сусла; 3 – резервный; 4 – смотровое окно; 5 – люк; 6 – переточный штуцер; 7 – лаз; 8 – штуцер для выпуска бражки; 9 – отвод углекислого газа; 10 – выпуск осадка; 11 – светильник; 12 – впуск воздуха;

13 – штуцер; 14 – впуск воды; 15 – выгребное устройство;

16 – привод вала выгребного устройства

В нижней части конического днища имеется штуцер для отбора осевших на дно дрожжевых клеток и шлама, который образуется из коагулирующих коллоидных веществ в процессе брожения. На боковой поверхности внизу и на крышке сделаны лазы. На крышке предусмотрен штуцер для организованного отвода углекислого газа. Ферментатор снабжен гидравлическим предохранительным клапаном давления, уровнеуказателем и

пробными кранами.

Сусло и дрожжевая суспензия после сепараторов поступают в ферментатор сверху через боковой штуцер. Бродящее сусло опускается вниз, за это время сахара успевают сбродить и уже зрелую бражку выводят из чана через штуцер внизу и направляют на сепарирование. Главное брожение должно проходить в верхней зоне аппарата, где сосредоточиваются наиболее активные дрожжи с наибольшей концентрацией.

Мертвые, малоактивные и часть полноценных дрожжей увлекают поток жидкости в нижнюю часть. Здесь устанавливается равномерное движение, уменьшается перемешивание выделяющимся углекислым газом, благодаря чему малоактивные и мертвые дрожжи оседают на дно чана, а активные остаются во взвешенном состоянии. Вследствие этого зрелая бражка уходит из бродильного чана с меньшей концентрацией дрожжей.

Снижение концентрации дрожжей в зрелой бражке положительно сказывается на производительности сепараторов и бродильных чанов. Осевшие на дно чана избыточные дрожжи и аморфные частички перемещаются с периферии днища чана к центру гребками и в виде массы густой консистенции извлекаются через штуцер из чана. Полученный из бродильного чана шлам полезно передать в гидролизаппарат, где при гидролизе белки дрожжей обратятся в аминокислоты, которые являются хорошим питательным средством для дрожжей.

Выгребное устройство бродильного ферментатора вращается очень медленно с частотой не более 0,1 с–1. При такой малой скорости движения лопасти с гребками не взмучивают осадок, а только передвигают к выпускному штуцеру. Привод мешалки осуществляют от индивидуального электродвигателя мощностью до 2 кВт через редуктор, цепную передачу и дополнительную червячную пару с общим передаточным, числом i = 8 570 и коэффициентом полезного действия η = 0,35. Внутренняя поверхность чана должна быть гладкой, легко доступной для чистки и мытья и противостоять агрессивному действию органических кислот, содержащихся в бражке. Поэтому стенки металлических бродильных чанов должны быть защищены кислото-

стойкими покрытиями. Неплохие результаты может давать покрытие лаками или пластичным материалом типа асбовинила.

Учитывая особенности работы ферментаторов лучше было бы их сооружать из железобетона. Много десятков лет на заводах Прибалтики и Сахалина эксплуатируются успешно бродильные чаны емкостью 200 м3, сделанные из железобетона. Защитить бетонную стенку от агрессивного действия среды значительно проще.

Техника безопасности при эксплуатации и ремонте фермен- таторов. Ферментаторы при спиртовом брожении чаще всего разме-

щают в помещении, и утечка двуокиси углерода из них в больших количествах опасна для окружающих. Концентрация двуокиси углерода в воздухе помещения не должна превышать 0,5 %. Для исключения утечки газа ферментаторы герметизируют и оборудуют предохранительными клапанами и вакуум-перекрывателями. Двуокись тяжелее воздуха и при

утечке через неплотности и вытекании из аппарата при мойке и дезинфекции может накапливаться в нижней части помещения в опасных для человека концентрациях. Автоматизированная система, разработанная УкрНИИСП, предупреждает о накоплении опасных концентраций газа и позволяет удалять его из помещения. В любом случае помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией. При

ремонте ферментаторов их полностью опорожняют, отсоединяют от всех коммуникаций, проветривают и после проверки на отсутствие СО

осматривают аппарат только через нижний люк в при-

сутствии второго лица. Проверка загазованности при помощи пламени недопустима, так как оно гасится только при концентрации газа 8–12 %, что значительно выше уровня предельно допустимой концентрации.

3.3. РЕКТИФИКАЦИЯ

Если дистиллят, полученный простой перегонкой, подвергнуть повторно перегонке, то будут получены вторичный остаток и вторичный дистиллят. Вторичный остаток будет содержать почти только труднокипящий компонент, а вторичный дистиллят будет содержать почти весь легколетучий компонент с более высокой концентрацией, чем дистиллят первой перегонки. Очевидно, что, повторяя перегонку многократно, можно получить в результате дистиллят, состоящий практически только из одного легколетучего компонента, и остаток, состоящий практически только из одного труднокипящего компонента. Приведенный прием поведения изолированных друг от друга циклов не приемлем для промышленных масштабов разделения жидкостей

из-за громоздкости и неэкономичности. Поэтому имеются различные конструкции аппаратов, в которых совмещаются одновременно и многократное испарение и конденсация. Процесс разделения жидких смесей на составляющие компоненты одновременно и многократно повторяемым, частичным испарением и конденсацией называется ректификацией.

Ректификацию проводят в вертикальных аппаратах колонного типа при тесном контакте жидкости с парами, образующимися из нее. Жидкость движется сверху вниз, а пары поднимаются снизу вверх, т. е. фазы движутся навстречу друг другу, противотоком. Соприкосновение и взаимодействие жидкости с парами происходит на сильно развитой поверхности или при пробулькивании паров через слой жидкости. В результате такого контакта между жидкостью и парами происходит массообмен и теплообмен, пары обогащаются легколетучим компонентом, а жидкость, наоборот, обедняется этим компонентом. Пары, достигнув верхней части колонного аппарата, уходят из него, обогащенные легколетучим компонентом. Жидкость вытекает из нижней части аппарата, почти полностью лишенная легколетучего компонента, т. е. состоит практически из одного труднолетучего компонента. Пары, уходящие с верхней части колонны, называют погоном, а конденсат этих паров – дистиллятом. Жидкость, вытекающую из колонны, называют кубовым остатком или лютером.

Благодаря постоянному и тесному контакту при противоточном движении жидкой и паровой фаз в аппарате происходит процесс одновременно и многократно повторяемых частичных испарений и конденсаций. Для обеспечения многократного испарения жидкой фазы в нижнюю часть колонного аппарата вводят греющий острый или глухой пар.

Многократная конденсация паров в колонне достигается орошением сверху колонны частью дистиллята, образующегося в конденсаторе погона. Часть дистиллята, возвращаемую в колонну для орошения, называют флегмой, а конденсатор, в котором образуется флегма, называют дефлегматором. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте и кубовом остатке зависит от величины поверхности контакта между жидкой и паровой фазой. Размер поверхности фазового контакта зависит от количества флегмы и конструктивных данных аппарата.

Периодическая ректификация. Агрегат для периодической

ректификации состоит из перегонного куба, ректификационной колонны, дефлегматора, холодильника, контрольного фонаря и сборника дистиллята.

Процесс ректификации протекает по схеме, показанной на рис. 3.3. Исходную смесь помещают в перегонный куб, подогревают глухим паром до кипения и далее поддерживают кипение в течение всего периода разгонки. Образующиеся в кубе пары поступают в ректификационную колонну, поднимаются снизу вверх и, обогатившись легколетучим компонентом, направляются в дефлегматор и конденсируются в нем. Значительная часть конденсата возвращается в качестве флегмы в самую верхнюю часть колонны. Остальная часть конденсата охлаждается в холодильнике и через пробный фонарь поступает в приемник дистиллята. Флегма стекает вниз колонны, контактирует с движущимися вверх парами, объединяется с легколетучим компонентом и попадает в куб. Процесс перегонки ведут до тех пор, пока из кубовой жидкости не извлекут практически весь легколетучий компонент. После исчерпания легколетучего компонента перегонный куб освобождают от кубового остатка, и этим заканчивается полный цикл периодической ректификации.

Рис. 3.3. Схема ректификационного аппарата периодического действия:

1 – куб; 2 – колонна; 3 – дефлегматор; 4 – холодильник; 5 – сборник

В начальный период перегонки дистиллят идет довольно интенсивно, а затем скорость отбора непрерывно снижают и наконец, отбор совсем прекращают. Режим перегонки регулируют по плотности дистиллята, которую контролируют плавающим в пробном фонаре ареометром.

При ректификации многокомпонентной смеси дистиллят отбирают в виде фракций в различные приемники. Отбор фракций производят в пределах установленных интервалов плотности дистиллята и температуры кипения смесей в кубе. В первый период отбирают фракцию, содержащую головные примеси, затем фракцию, содержащую основной продукт, и под конец фракцию, содержащую хвостовые примеси. Головными примесями называют все более летучие компоненты смеси, имеющие меньшую температуру кипения, чем основной легколетучий компонент. В бражке основной легколетучий компонент – этиловый спирт, а метиловый спирт, эфиры и альдегиды – головные примеси. Хвостовые примеси имеют меньшую летучесть и более высокую температуру по сравнению с основным легколетучим компонентом. В бражке к труднолетучим компонентам относятся спирты: пропиловый, изопропиловый, изобутиловый, амиловый и др. Большая часть этих спиртов не растворима в воде и смесь их имеет маслянистый характер. Хвостовую фракцию спиртового производства именуют сивушным маслом.

Непрерывная ректификация. Работа аппарата непрерывного

действия протекает по схеме, показанной на рис. 3.4. Исходную жидкость вначале пропускают через теплообменник, в котором она нагревается теплом кубового остатка, вытекающего из нижней кубовой части колонны. Подогрев в теплообменнике применяют в том случае, когда исходная жидкость поступает мало нагретая, так как не хватает тепла для нагрева в дефлегматоре, или если теплоту дефлегмации используют для других целей. Подогретую исходную смесь подают в колонну на некоторую высоту и далее она стекает вниз. По пути жидкость встречается с поднимающимися парами, контактирует с ними и почти полностью истощенная легколетучим компонентом уходит снизу колонны через теплообменник. В самую нижнюю часть колонны, в так называемую кубовую часть, подают греющий глухой или острый пар. Пары, образовавшиеся в нижней части колонны, поднимаются в верхнюю часть, встречаются по пути со стекающей навстречу жидкостью, обогащаются легколетучим компонентом и уходят в дефлегматор. Из дефлегматора большая часть конденсата

возвращается в колонну в качестве флегмы, а остальная часть охлаждается и собирается в приемнике.

Рис. 3.4. Схема ректификационного аппарата

непрерывного действия:

1 – исчерпывающая часть колонны; 2 – укрепляющая часть колонны; 3 – дефлегматор; 4 – холо-

дильник; 5 – сборник; 6 – теплообменник

Скорость подачи смеси на ректификацию, скорость отбора дистиллята остаются практически постоянными в течение всего времени работы агрегата. Часть колонны, где идет извлечение легколетучего компонента, расположенную ниже ввода исходной смеси, называют исчерпывающей. Верхнюю часть колонны, где идет повышение концентрации легколетучего компонента, называют укрепляющей. Для ректификации многокомпонентных смесей непрерывнодействующий агрегат имеет обычно несколько колонн, последовательно соединенных между собой и укомплектованных каждая своим

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 97 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]