3600 15715 1* 900 1-2 (Диаметр рабочего колеса 960 мм) 4

173

160

100-110 725

420 1140 100 140 3

125-990 2,2 0,73

0,3 3000

2-6 2**

±

200-1500³* Не более 2

Примечание: 1 — зависит от коэффициента заполнения; 2 — имеется одна мешалка; 3 — диапазон регулируемой частоты вращения мешалки.

Размеры ферментаторов определяются соотношением внешне- го диаметра к высоте, который варьирует обычно в пределах от 1:2 до 1:6. Почти универсальными и чаще используемыми являются ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Эти фер- ментаторы в свою очередь классифицируют по способу ввода в аппарат энергии для перемешивания (таблица 34): газовой фазой (ФГ). жидкой фазой (ФЖ), газовой и жидкой фазами (ФЖГ).

С использованием указанных выше классификаций удается разработать единые методы инженерных расчетов основных кон- структивных элементов и режимов работы ферментаторов.

Таблица 34. Классификация ферментаторов по способу ввода энергии для перемешивания

Ферментаторы	Характеристика конструкции аппарата	„ Тип аппарата
ФГ с подводом энергии газовой фазой	Простота конструктивного оформления и высокая надежность в связи с отсутствием движущихся узлов и деталей	Барботажный, барботажно- эрлифтный, колоночный (колонный), форсуночный
ФЖ с подводом энергии жидкой фазой	Обычно энергия передается жидкой фазе самовсасывающей мешалкой или насосом	Эжекционный, с циркуляционным контуром,с всасывающей мешалкой
ФЖГ (комбинированные)	Основным конструктивным элементом является перемешивающее устройство, обеспечивающее высокую интенсивность растворения кислорода и высокую степень диспергирования газа. В то же время энергия газовой фазой выводится обычным способом	Барботажный с механическим перемешиванием

Ферментаторы указанных трех групп имеют большое количе- ство общих элементов. Различие же состоит в конструкциях аэрирующих и перемешивающих устройств. Примером конструк- тивного оформления ферментатора группы ФГ может быть аппарат с эрлифтом вместимостью 63 м³ (рис. 90). В аппарате отсутствует механическое перемешивание, поэтому проще поддерживать асеп- тические условия. Воздух для аэрации среды подается по трубе,

300

р асположенной верти- кально в ферментаторе. Аэратор, конструкция которого обеспечивает вихревое движение вы- ходящего воздуха, распо- ложен в нижней части диффузора и насыщает питательную среду воз- духом. Газожидкостная смесь поднимается по диффузору и перемеши- вается через его верхние края. В этой же зоне часть воздуха уходит из аппарата, и более плот- ная среда опускается вниз в кольцевом про- странстве между корпу- сом ферментатора и диффузором. Так проис- ходит многократная цир- куляция среды в фермен- таторе. Для отвода био- логического тепла внут- Рис- 90. Ферментатор с эрлифтом: 1 - штуцер

ри ферментатора уста- ^слива-² ~ »^эР^ат°Р-³ ~ змеевик, 4 - штуцер ^ Ч^г"'сп'"'«рт /^ч-^1а для загрузки, 5 — люк, 6 — корпус аппарата, 7 НОВлен змеевик, а также — диффузор, 8 — рубашка, 9 — труба передав-

аппарат снабжен секци- ^{ЛИваИИЯ}-

онной рубашкой. Недостатком этих аппаратов является низкая интенсивность массообмена по кислороду. Известны ферментато- ры этого типа объемом 25, 49, 63 и 200м³.

Широкое распространение в производстве кормового белка получили ферментаторы с самовсасывающими мешалками (рис. 91). Это ферментаторы из группы ФЖ. Для выращивания чистой культуры дрожжей созданы ферментаторы вместимостью 0.32, 3.2 и 50 м³. Ферментатор представляет собой вертикальный цилинд- рический аппарат, снабженный циркуляционными, теплообмен- ными и аэрирующими устройствами. В качестве циркуляционных устройств использованы системы направляющих диффузоров, раз- граничивающих восходящие и нисходящие потоки. Теплообмен-

301

ные устройства выполнены в виде трубок, установлен- ных в трубных решетках диффузоров.

Рис 91. Ферментатор с самовсасывающей мешалкой непрерывного действия: 1 — кор- пус, 2 — диффузор, 3 — самовсасывающая мешалка, 4 — теплообменник, 5 — фильтр.

На предприятиях микро- биологической промышлен- ности при выращивании дрожжей в средах с жидки- ми парафинами также при- меняют ферментаторы с са- мовсасывающими мешалка- ми непрерывного действия. Аппарат такого типа пред- ставлен на рис. 91. Емкость его 800 м³ (рабочий объем 320 м³) разделена на 12 сек- ций. Ферментационная сре- да последовательно прохо- дит все секции, и из послед- ней выходит культуральная жидкость с минимальным содержанием н-парафинов и максимальной концентра- цией биомассы. В каждой секции установлено переме- шивающее и аэрирующее устройство и змеевики для отвода тепла.

Ферментаторы периоди- ческого действия из групп ФЖГ применяют с 1944 г. в промышленности для получения антибиотиков, витаминов и других биологически активных веществ (см. рис. 88). Его конст- рукция обеспечивает стерильность ферментации в течение дли- тельного времени (нескольких суток) при оптимальных условиях для роста и жизнедеятельности продуцента. Ферментаторы такой конструкции изготавливают на 1,25; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 10,0; 16,0; 20,0; 32,0; 50,0; 63,0; 100,0 и 160,0 м³. Как видно из рисунка, это цилиндрический вертикальный аппарат со сферическим дни- щем, снабженный аэрирующим, перемешивающим и теплопере- дающим устройствами. Воздух для аэрации поступает в фермен-

302

татор через барботер, установленный под нижним ярусом мешал- ки. С точки зрения эффективности диспергирования воздуха конструкция барботера принципиальной роли не играет при нали- чии мешалки, однако, с точки зрения эксплуатации, наиболее удобным является квадратный барботер, который получил наи- большее распространение. Отверстия в барботере направлены вниз, во избежание засорения биообъектами. Общая площадь отверстий должна быть на 25% больше площади поперечного сечения трубопровода, подводящего воздух. Барботер по своим размерам должен соответствовать диаметру мешалки, чтобы вы- ходящий из него воздух попадал в зону ее действия.

Эффективность работы ферментатора определяется прежде всего необходимой интенсивностью перемешивания. Перемеши- вающие устройства служат для сохранения равномерного темпе- ратурного поля по всему объему аппарата, своевременного подвода продуктов питания к клеткам и отвода от них продуктов метабо- лизма, а также интенсификации массопередачи кислорода.

Для культуральных жидкостей с высокой структурной вязко- стью наиболее эффективными являются открытые турбинные мешалки с шестью лопастями. Выбраны более или менее оптималь- ные соотношения размеров мешалки (с!м/Д=0,3—0,4, где йм — диаметр мешалки, Д — диаметр аппарата). Количество ярусов мешалки определяется высотой столба жидкости. Оптимальное межярусное расстояние (пя) = (1,5—1,8) йм. Расстояния от верх- него яруса мешалки до уровня жидкости в ферментаторе (Нж1) должно быть > йм и от нижнего яруса мешалки до дна аппарата (0,8—1,1) йм.

Для создания в ферментаторе условий "полного отражения", во избежание образования вращательного контура, который резко снижает интенсивность перемешивания, в аппарате устанавлива- ют-отражательные перегородки (отбойники). Ширина их состав- ляет (0,1—0,12) йм. Обычно рекомендуют устанавливать 4 отража- тельных перегородки, несколько отступая от стенок ферментатора.

Важным элементом в конструкции ферментатора являются теплообменные устройства. Применение высокопродуктивных штаммов биообъектов, концентрированных питательных сред, вы- сокий удельный расход мощности на перемешивание — все эти факторы сказываются на существенном возрастании тепловыде- лений, и для отвода тепла в ферментаторе устанавливают наруж- ные и внутренние теплообменные устройства. Промышленные ферментаторы, как правило, имеют секционные рубашки, а внутри аппарата — четыре змеевика.

зоз

Разработчики аппаратуры в нашей стране и за рубежом посто- янно совершенствуют конструкции биореакторов. Так, например, фирма Ыетл/ Вптвтоск Зспешлйс Со., 1пс. (США) предложила следу- ющие типы ферментаторов: Био-Фло III — для периодического и непрерывного культивирования микробных, животных и расти- тельных клеток, совмещенный с микропроцессором и персональ- ным компьютером; Микрос I — для культивирования микроорга- низмов (совмещен с микропро- цессором) и промышленные фер- ментаторы емкостью от 40 до 4000 литров и более (совмещены с мик- ропроцессорами). В Датской мультинациональной компании С181-Вгосас1е8 в 1987 г. сконструи- рован и изготовлен самый боль- шой промышленный фермента- Рис. 92. Ферментатор емкостью _ТОр ддд производства пеницил- 200 м (внутренний вид). ^ _(2(ю ^ _{(рис д2);} .

Общая продуктивность процесса (Рар) в биореакторе опреде- ляется количеством целевого продукта в ЕД активности или в кг, получаемого с 1 м³ ферментационной емкости в час. Расчет ведут по формулам, отдельно — для периодического и непрерывного процессов:

периодический процесс непрерывный процесс

_р УсгАсгУ? ЕД УУсМс/Ю⁶. ЕД

^Иар~ У/Хс ^час^{1 Уар}~ У_{ ^-час¹

г, УсгС , кг УУсгС ,₇ , 3» *

Р-ар = —— [—з ] Рар = —ту—, где Усг (м^л) — объем

^и Упс м-час' ^и У{

культуральной жидкости за весь процесс ферментации; А_с{ (ЕД/мл)

• активность культуральной жидкости; С (кг/м³) — концентрация целевого продукта в культуральной жидкости; \Л/_С1 (м³/час) — скорость слива культуральной жидкости из ферментатора; У{ (м³)

• вместимость ферментатора; X^е (час) — время цикла работы ферментатора.

Общую продуктивность для непрерывных процессов (рис. 93) определяют в установившемся режиме, а для периодических про- цессов и полунепрерывных — с учетом времени на подготовку ферментатора к работе.

Объемная продуктивность про- цесса (Рср) — это количество целе- вого продукта в ЕД активности или 1^, в кг, получаемое с 1 м³ питательной среды в час. Расчет ведут следую- щим образом:

периодический процесс

УпжХс м -час

■ УсгАсгЮ* ЕД

УсгС кг 1..з 1

УптХс йРчас¹

^уср - ~Тг 1..з 1

'ср

непрерывный процесс _ ЖсгАсгЫ* , ЕД

гер - 77— I

мзчас

], где

гер- I

кг

м³-час

Упт(м³) — объем питательной среды.

УсгАсГ 10° ЕД кг

где гпв (кг) —

или

сх₅

сх₅^:

Выход продукта от субстрата (Об) — это количество целевого продукта в ЕД активности или в кг, полученное из 1 кг компонента ферментационной среды, являющегося энергоносителем. Тогда для периодического процесса:

УсгС кг, 'кг^1.

шз кг' шз

исходное содержание энергоносителя в субстрате; для непрерыв- ного процесса:

А_с/10⁶ РД. СсГ ,кг, _е , , з.

а₅ = —=— [-=] или а₅ = — [—], где 5о (кг/м) — исходная

5о

концентрация энергоносителя в субстрате. Степень использования субстрата (V) выражается формулой: (5о-5к)

, где 5о (кг/м ) — исходная концентрация энергоно-

сителя в субстрате, 5_К (кг/м³) — конечная концентрация энерго- емкого компонента в субстрате. *

305