Аппарат для выращивания микроорганизмов в крупнотоннажном производстве
APPARATUS FOR GROWING MICROORGANISMS IN LARGE-TONNAGE PRODUCTION

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к аппаратам для выращивания микроорганизмов в крупнотоннажном производстве, и может найти применение при выращивании микроорганизмов на природном газе, а также спиртах и гидролизных щелоках.
3
3
3
В нашей стране для выращивания метанокисляющих микроорганизмов в промышленных масштабах в 80-е начала 90-х годов использовали ферментеры струйного типа /2/. Струйные аппараты могли оснащаться аэраторами (эжекторами) сливного (А.С. СССР №1521498) или напорного (А.С. СССР №605830) типов. В Советском Союзе были разработаны и эксплуатировались для производства кормового белка из природного газа ферментеры струйного типа геометрическим объемом  540 и 1100 м, а в ГДР /1/ при производстве БВК из дизельного топлива использовались ферментеры объемом 2200 м. Все ферментеры зарекомендовали себя как надежные, высокопроизводительные, высокопродуктивные массообменные аппараты, обладающие низкими показателями по потреблению электроэнергии как на единицу готовой продукции, так и на единицу растворенного кислорода в жидкости. Ферментеры состояли из емкости, контура циркуляции жидкой фазы с циркуляционным насосом и контура рециркуляции газовой фазы. Емкость была разделена ложным днищем на два примерно равных по объему этажа - верхний и нижний. На верхней крышке корпуса аппарата устанавливались эжектора, которые за счет падающей струи создавали перемешивание в верхнем этаже ферментера, коме того, в  верхнем этаже устанавливались сливные эжектора, которые создавали перемешивание в нижнем этаже ферментера. За счет многократной рециркуляции газовой и жидкой фазы достигалась высокая степень использования компонентов газовой среды. Работа струйных аппаратов под давлением позволила достичь продуктивности процесса работы на природном газе - 6,0-6,2 кг/мчас.
Известен аппарат по авторскому свидетельству СССР № 1613484, который содержит цилиндрическую емкость, снабженную технологическими патрубками, в центральной части которой расположен переливной стакан. Нижняя часть стакана подключена к системам рециркуляции, состоящим из всасывающих трубопроводов, побудителей расхода, нагнетательных трубопроводов и эжекторов, установленных вертикально в верхней части емкости. У днища емкости под каждым из эжекторов  размещено устройство для распределения газожидкостного потока, состоящее из вертикального цилиндра, установленного соосно с эжектором с образованием зазора между его нижней кромкой и днищем емкости, и укрепленного коаксиально его наружной поверхности диска. Диск имеет по периферии перфорацию для диспергирования газа.
Недостатком данного аппарата является невозможность работать на газообразном субстрате – природном газе. Конструкция аппарата не обеспечит:
- высокую степень использования природного газа, т.к. конструкцией аппарата не предусмотрена система рециркуляции газовой фазы в связи с этим будут значительные финансовые расходы на природный газ;
- условия взрыво-пожаробезопасности, т.к. аппарат открытого типа и выход отработанного газа содержащего метан и кислород может привести к взрыву;
- экологическую безопасность – отработанный газ, выходящий их аппарата, содержит парниковый газ – метан.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является аппарат для выращивания микроорганизмов по авторскому свидетельству СССР №873683, содержащий емкость разделенную на два этажа – верхний и нижний с технологическими патрубками, напорными эжекторами, установленными на крышке аппарата и подключенные к контуру циркуляции культуральной жидкости, сливными эжекторами, установленными в верхнем  этаже аппарата, побудитель расхода жидкости, установленный в нижней части корпуса отбойный экран и контур рециркуляции газовой фазы.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Недостатком известных  струйных аппаратов, использующихся в крупнотоннажном производстве в СССР и ГДР, в том числе и  наиболее близкого технического решения является высокая металлоемкость этих аппаратов, в том числе узлов, выполненных из высоколегированной стали. Так струйные аппараты, которые эксплуатировались в СССР объемом 540 м и аппарат по А.С. СССР №873683 объемом 1100 м имели по 6 эжекторов, установленных на крышке аппарата, и по 5, установленных в верхнем этаже. А струйные ферментеры ГДР объемом 2200 мимели по 10 сливных аэраторов на крышке аппарата, и по 10, установленных в верхнем этаже. Чем был обусловлен выбор такой конструкции разберем на примере аппарата по А.С. СССР №873683 объемом 1100 м. Этот ферментер имел высоту около 34 метров (высота корпуса около 22 м, диаметр 8 метров, общая масса без циркуляционных насосов около 870 тонн, снабжен 6-ю циркуляционными насосами производительностью 10000 м /час каждый, мощностью 1250 кВтч. Очевидно, что затраты на  эксплуатацию и стоимость одного ферментера объемом 1100 м меньше, чем 10 ферментеров по 110 м, поэтой причине  для крупнотоннажного производства и использовались аппараты большой единичной мощности. При работе с метанокисляющими микроорганизмами для достижения высокой продуктивности нужен очень высокий массообмен, который в данном случае обеспечивают циркуляционные насосы. Для достижения требуемого массообмена нужна кратность циркуляции рабочей суспензии порядка 80 1/час, что при рабочем объеме ферментера 750 мкак раз и обеспечат 6 циркуляционных насосов производительностью 10000 м /час.  На тот момент, да и сейчас, насосы большей производительности пригодные для работы с суспензиями микроорганизмов да еще и под давлением ни в СССР ни в ГДР, ни в Российской Федерации не производились и не производятся. Есть группа осевых насосов с большой производительностью это вертикальные электронасоные агрегаты с осевым одноступенчатым насосом с жестко закрепленными лопастями рабочего колеса предназначен для перекачивания воды с содержанием взвешенных частиц до 0,3% по массе, размером до 0,1 мм с температурой до 35 °С. Насосы применяются для циркуляционного водоснабжения тепловых и атомных эл.станций, в оросительных системах и других отраслях. Но для нашей технологии они не подходят.
3
В связи с этим, при конструировании струйных аппаратов большой производительности было принято решение применять многоконтурную рециркуляцию жидкой фазы, но при условии один насос подает жидкость в один аэратор. Но здесь встает очень серьезный вопрос - смогут ли газожидкостные струи, выходящие из аэраторов равномерно проработать всю площадь аппарата и всю глубину аппарата. При расчетах выяснилось, что проработать всю глубину аппарата монолитный уровень жидкости которой составляет 16-18 метра  газожидкостной струей, создаваемой насосом производительностью 10000 м /час, невозможно. И было принято решение разделить аппарат на два этажа. Верхний этаж прорабатывается струями, выходящими из аэраторов, находящимися на крышке аппарата, а нижний этаж струями, выходящими из аэраторов, находящимися в верхнем этаже. Такое количество эжекторов приводит к усложнению конструкции аппарата и увеличению его металлоемкости, особенно высоколегированной сталью.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в уменьшении его металлоемкости и как следствие уменьшение его стоимости  и уменьшение затрат на  выпуск готовой  продукции.
Данный технический результат достигается тем, что аппарат для выращивания микроорганизмов на крупнотоннажном производстве включает корпус с установленными на нем штуцерами подачи питательных солей, технологической воды, титрующего раствора и датчиками измерения температуры  и растворенного кислорода. В верхней крышке корпуса аппарата предусмотрены штуцера отвода отработанной газовой смеси, установки предохранительного клапана и разрывной мембраны. В нижних точках аппарата  установлены штуцера для слива жидкости. Аппарат оснащен одним струйным аэратором, подключенным к системам рециркуляции жидкой и газовой фазы. Система рециркуляции жидкой  фазы может состоять их нескольких контуров, каждый из которых  включает теплообменник, циркуляционный насос подачи жидкости в аэратор и соединительные трубопроводы. Внутри корпуса в нижней его части соосно установлен отбойник в виде двух усеченных корпусов и соединенных вместе, в верхней части отбойник присоединен к трубопроводу для отвода дегазированной газовой смеси в верхнюю часть аппарата выше уровня газожидкостной смеси. Так же струйный аэратор  подключен к системе рециркуляции газовой фазы. Верхняя часть струйного аэратора разделена вертикальными пластинами с образованием  изолированных  камер, число которых равно количеству циркуляционных контуров. Ввод кислорода воздуха и газообразного субстрата в аппарат предусмотрен  на трубопроводе рециркуляции газовой фазы. Отбор суспензии на сгущение осуществляется через штуцер установленный после циркуляционного насоса.
Предлагаемый Аппарат для выращивания микроорганизмов в крупнотоннажном производстве поясняется чертежами,  где:
на Фиг. 1  - схематично изображен Аппарат для выращивания микроорганизмов в крупнотоннажном производстве.
Аппарат для выращивания микроорганизмов в крупнотоннажном производстве 1 (Фиг. 1) включает корпус 2, струйный аэратор 3, подключенный к системе рециркуляции жидкой и газовой фазы. Система рециркуляции жидкой  фазы может состоять из нескольких контуров, каждый из которых  включает теплообменник 4, циркуляционный насос 5 подачи жидкости в аэратор 3 и трубопроводы 6 и 7. Внутри корпуса 2 в нижней его части соосно установлен отбойник 8 в виде двух усеченных конусов и соединенных вместе, в верхней части отбойник 8 присоединен к трубопроводу 9 для отвода дегазированной газовой смеси в верхнюю часть аппарата выше уровня газожидкостной смеси в корпусе 2. Так же струйный аэратор 3 подключен к системе рециркуляции газовой фазы трубопроводом 10. Струйный аэратор разделен вертикальными пластинами 11 с образованием  изолированных  камер 12 в аэраторе, число которых равно количеству циркуляционных контуров. Ввод кислорода воздуха и газообразного субстрата в аппарат предусмотрен  на трубопроводе рециркуляции газовой фазы через штуцера 13 и 14. На корпусе аппарата 2 установлены штуцера подачи питательных солей, технологической воды, титрующего раствора 15, 16 и 17, установлены датчики измерения температуры 18 и растворенного кислорода 19. В верхней крышке корпуса аппарата предусмотрены штуцера отвода отработанной газовой смеси 20, установки предохранительного клапана 21 и разрывной мембраны 22. В нижней точке аппарата и на трубопроводе 6 установлены штуцера для слива жидкости 23. Теплообменник 4 имеет штуцер ввода 24 и вывода 25 охлаждающей воды. Отбор суспензии на сгущение осуществляется через штуцер 26.
Аппарат работает следующим образом. Предварительно аппарат заполняется водой через штуцер 16, в него подают растворы минерального питания через штуцер 15, устанавливается требуемый рН среды подачей через штуцер 17 титрующего раствора, производится засев культурой продуцента. Циркуляционные насосы 5 забирают культуральную жидкость из-под отбойника 8 и через теплообменники 4 по трубопроводам 7  подают её в струйный аэратор 3, причем каждый насос подает в свою камеру создавая эффект параллельной работы на трубопровод, при этом напор насосов при параллельной работе в трубопровод всегда больше напора, развиваемого насосами при отдельной работе в этот же трубопровод /3/. Этот эффект позволяет увеличить начальную скорость истечения культуральной жидкости в сопле аэратора 3 и как следствие увеличить кинетическую энергию жидкости на выходе из сопла аэратора. В теплообменники 4 по штуцерам 24 поступает охлаждающая жидкость для термостатирования процесса роста микроорганизмов, а через штуцера 25 выводится на охлаждение. Культуральная жидкость переливаясь через  кромку сливного конуса аэратора падает вниз с увеличивающейся по длине сливного конуса скоростью при этом происходит подсос газовой фазы из верхней части аппарата по трубопроводу 10, одновременно при падании жидкости вниз по стенкам конической части аэратора происходит перемешивание газовой и жидкой фаз. Газожидкостная смесь, выходя из струйного аэратора 3 с большой скоростью, падает в слой жидкости, в аппарате создается нисходящий турбулентный поток, который отразившись от отбойника 8 направляется вверх вдоль стенки аппарата, создавая интенсивное перемешивание, а часть его циркуляционными насосами подсасывается под отбойник 8.  Распад газожидкостной струи происходит  при движении её вниз аппарата под влиянием действующих на нее сил тяжести, сопротивления газожидкостной смеси и внутренних сил, вызываемых турбулентностью потока и колебательно-волновым характером движения жидкой струи. На определенной стадии распада в качестве дополнительных сил, способствующих распаду струи, действуют силы поверхностного натяжения. Под отбойником 8 происходит частичная дегазация культуральной жидкости, газовая фаза поступает в центральную коническую часть отбойника и по трубопроводу 9 отводится в газовую фазу аппарата. Свежие компоненты газовой питательной среды (природный газ и воздух) поступают  в контура рециркуляции газовой фазы (штуцеры 11 и 12). Отработанные газовые компоненты выводятся из аппарата через штуцер 20. При непрерывном режиме работы аппарата в него постоянно подают технологическую воду и растворы питательных солей. Отбор культуральной жидкости на сгущение производится через штуцер 26. Опорожнение аппарата производится через штуцера 23.
Эти технические решения позволяют уменьшить  металлоемкость аппарата и как следствие уменьшить его стоимость  и уменьшить затраты на  выпуск готовой  продукции. Кроме того, техническое решение работы всех циркуляционных насосов на один аэратор позволяет увеличить начальную скорость истечения культуральной жидкости из сопла аэратора, увеличить массу жидкости, истекающей из сопла и как следствие увеличить её кинетическую энергию, которая пропорциональна массе истекающей жидкости и квадрату скорости её истечения, что гарантирует прохождение газожидкостной струи до самого днища аппарата.
Все вышеизложенное  говорит о промышленной применимости предлагаемого аппарата для выращивания микроорганизмов в крупнотоннажном производстве.
Источники информации
1. IZ-Strahlfermentor. Techn.Inform. VEBChemieanlagenbaukombinat. Leipzig-Grimma, 1983.
2. У.Э. Виестур, А.М. Кузнецов, В,И, Савенков. Системы ферментации. Рига, «Зинатне», 1986.
3. Л.А. Цыбин, И.Ф. Шанаев. Гидравлика и насосы. Москва. «Высшая школа». 1976.
Перечень позиций
1. Аппарат для выращивания микроорганизмов
2. Корпус аппарата
3. Струйный аэратор
4. Теплообменник
5. Циркуляционный насос
6. Трубопровод
7. Трубопровод
8. Отбойник
9. Трубопровод
10. Трубопровод
11. Вертикальные пластины
12. Камера
13. Штуцер ввода воздуха
14. Штуцер ввода метана
15. Штуцер подачи питательных солей
16. Штуцер подачи технологической воды
17. Штуцер подачи титрующего раствора
18. Датчик  измерения температуры
19. Датчики измерения растворенного кислорода
20. Штуцер отвода отработанной газовой смеси
21. Штуцер установки предохранительного клапана
22. Штуцер установки разрывной мембраны
23. Штуцер для слива жидкости
24. Штуцер ввода охлаждающей воды
25. Штуцер вывода охлаждающей воды
26. Штуцер отбора суспензии на сгущение