Аппарат для выращивания микроорганизмов
APPARATUS FOR GROWING MICROORGANISMS

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к аппаратам для выращивания микроорганизмов, и может найти применение при выращивании микроорганизмов на природном газе, а также спиртах и гидролизных щелоках.
Предшествующий уровень техники
Известен патент на изобретение РФ №2319381 «УСТАНОВКА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ПЕКАРСКИХ ДРОЖЖЕЙ». Установка содержит ферментер, по меньшей мере, один аппарат засевной культуры пекарских дрожжей, нагнетатель воздуха, блок охлаждения воздуха, систему фильтров для очистки и стерилизации, емкость с раствором минеральных компонентов и мелассы, а также скруббер для очистки отходящих газообразных выбросов. Ферментер имеет цилиндрический корпус с расширенной верхней частью. При этом внутри ферментера вертикально с зазором относительно его корпуса установлен циркуляционный стакан, имеющий расширенную верхнюю и нижнюю части, в верхней части стакана выполнены окна, в нижней части расположен основной барботер, а в нижней части зазора между корпусом и циркуляционным стаканом установлен дополнительный барботер. Использование предложенной установки позволяет повысить выход биомассы пекарских дрожжей.
Известен патент СССР на изобретение № 1446150 «АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ». Аппарат содержит емкость с технологическими патрубками, имеющую расширенную верхнюю часть, внешний циркуляционный кожух, устройство для диспергирования восходящего газожидкостного потока, содержащее параллельные вертикальные пластины, снабженные теплообменными рубашками и образующие каналы, с перфорацией в виде чешуек, аэрирующие устройство, состоящее из параллельных перфорированных труб, и коллекторов для подвода воды к теплообменным рубашкам.
Такие аппараты отличаются простотой конструкции, а отсутствие подвижных частей делает их очень надежными. Однако у них есть два существенных недостатка. Первый - это невысокие массообменные характеристики, второй - низкая степень утилизации газообразных субстратов, что не позволяет их использовать при выращивании микроорганизмов на природном газе
В нашей стране для выращивания метанокисляющих микроорганизмов в промышленных масштабах в 80-е начала 90-х годов использовали ферментеры струйного типа. Струйные аппараты могли оснащаться аэраторами (эжекторами) сливного (А.С. СССР №1521498) или напорного (А.С. СССР №605830) типов. Ферментеры состояли из емкости, контура циркуляции жидкой фазы с циркуляционным насосом, в верхней части аэратора (аэраторов) и контура рециркуляции газовой фазы. За счет многократной рециркуляции газовой фазы достигалась высокая степень использования компонентов газовой среды.
Наиболее близким к предлагаемому решению является патент РФ на изобретение №2679356 «АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ». Аппарат включает корпус, струйный аэратор, подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы. Система включает теплообменник, побудитель расхода жидкости и трубопроводы. Так же струйный аэратор подключен к системе рециркуляции газовой фазы. В нижней части аппарата установлен барботер для подачи кислорода воздуха и газообразного субстрата (природного газа), а также имеются все необходимые штуцера.
3
Недостатком известных струйных аппаратов является высокое потребление электроэнергии циркуляционными насосами. Мощность насосов расходуется на гидростатический подъем суспензии в верхнюю точку аэратора, преодоление сопротивления теплообменника, преодоление сопротивления самого контура циркуляции жидкой фазы. Так гидростатический подъем жидкости для аппаратов объемом 500-1000 м составляет 18-20 м.вод.ст., сопротивление теплообменника около 6 м.вод.ст., сопротивление контура циркуляции также около 6 м.вод.ст. таким образом, общее сопротивление всего контура циркуляции составит 30-32 м.вод.ст. Еще одним недостатком струйных ферментеров является неравномерное газосодержание по высоте аппарата и как следствие неравномерный массообмен внутри корпуса аппарата. Так в верхней части аппарата газосодержание может достигать 20-25%, в то время как в нижней части аппарата оно составляет 5-7%. Это объясняется тем, что не вся газожидкостная струя выходящая из аэратора достигает днища аппарата, она начинает разрушаться сразу после соударения с поверхностью жидкости в аппарате отдавая свою энергию, пузырьки газовой фазы устремляются к стенкам аппарата, коалесцируют, поднимаются вверх не достигнув днища.
Задача
, на которую направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании аппарата для выращивания микроорганизмов с обеспечением возможности снижения удельных энергозатрат на выпуск готовой продукции
Технический результат
, достигаемый изобретением, заключается в равномерном распределении газосодержания по высоте аппарата и как следствие равномерного массообмена по всему рабочему объему, устранения возможных застойных зон внизу аппарата, а также позволяющего устанавливать циркуляционные насосы меньшей мощности при обеспечении той же циркуляции жидкой фазы и, как следствие, позволяющего снизить удельные энергозатраты на выпуск готовой продукции.
Поставленная задача решена за счет того, что аппарат для выращивания микроорганизмов выполнен в виде корпуса с расширенной верхней частью. Внутри корпуса, в верхней его части, с зазором к корпусу установлены: вертикальные успокоительные элементы, выполненные в виде плоских пластин по всему диметру корпуса, технологические патрубки подачи растворов минеральных солей, технологической воды и титрующих агентов, технологические патрубки подачи метана и воздуха, штуцер отвода отработанной газовой смеси, штуцера для рециркуляции газовой смеси, штуцер для слива жидкости. Напорные эжектора с камерами смешения установлены в нижней части аппарата тангенциально к корпусу аппарата, которые с одной стороны подключены к системе циркуляции жидкой фазы, а с другой к системе рециркуляции газовой фазы. Система рециркуляции газовой фазы выполнена с возможностью отвода газовой фазы из верхней части корпуса и подачи ее по трубопроводу в напорный эжектор
Описание
На фиг.1 показано схематичное изображение аппарата для выращивания микроорганизмов.
Аппарат для выращивания микроорганизмов 1 (см. фиг.1) включает корпус 2, с расширенной частью 3, напорные эжектора 4 с камерами смешения 5 подключенные к системе рециркуляции жидкой фазы, причем напорные эжектора с камерами смешения установлены тангенциально к корпусу. Система включает теплообменники 6, побудители расхода жидкости 7 и трубопроводы 8. Внутри корпуса 2 в верхней его части с зазором к корпусу 1 установлены вертикальные успокоительные элементы 9 в виде плоских пластин по всему диметру корпуса. Так же напорный эжектор 4 подключен к системе рециркуляции газовой фазы трубопроводом 10. Ввод кислорода воздуха и газообразного субстрата в аппарат предусмотрен на трубопроводе рециркуляции газовой фазы через штуцера 11 и 12. На корпусе аппарата установлены штуцера подачи питательных солей 13, титрующего раствора 14, технологической воды 15. В верхней крышке корпуса аппарата предусмотрен штуцер отвода отработанной газовой смеси 16 и штуцера для рециркуляции газовой смеси 17. В нижней точке аппарата установлен штуцер для слива жидкости 18.
Перед началом работы аппарат моют щелочным раствором, пропаривают, заливают водой, подают раствор минерального питания, устанавливают требуемый рН среды и температуру, вносят требуемое для засева количество культуры продуцента.
Аппарат работает следующим образом.
Побудитель расхода жидкости 7 забирает дегазированную культуральную жидкость из расширенной части аппарата 3, имеющую гидростатический напор равный высоте от центральной оси насоса до уровня жидкости в расширенной части аппарата 3, по трубопроводу 8 через теплообменник 6 в напорный эжектор 4. В теплообменнике 6 происходит термостатирование культуральной жидкости до требуемой температуры. В напорном эжекторе 4 происходит подсос газовой фазы из верхней части аппарата по трубопроводу 10 и перемешивание газовой и жидкой фаз в камере смешения 4. Газожидкостная смесь, выходящая из камеры смешения 5 с большой скоростью и тангенциально к корпусу 1 аппарата, попадая в нижнюю часть аппарата, создает спиралевидный восходящий турбулентный поток, который направляется вверх создавая интенсивное перемешивание. Благодаря тангенциальному вводу газожидкостной смеси в корпус 1 аппарата увеличивается время пребывания газовой фазы в нижней части аппарата и как следствие увеличение там газосодержания. Дегазация газожидкостной смеси достигается за счет естественного всплытия газовых пузырьков. Лучшей дегазации способствует корпус с расширенной его верхней частью и установленные там вертикальные успокоительные элементы 9 в виде плоских пластин по всему диметру корпуса. Однако полной дегазации в данном случае не происходит, остаточное содержание газовой фазы в жидкости составляет около 5%. Да полной дегазации и не требуется, т.к. микроорганизмы оставлять на «голодном пайке» даже и на небольшое время не следует. Свежие компоненты газовой питательной среды (природный газ и воздух) поступают в аппарат через штуцера 11 и 12. Подача питательных солей, титрующего раствора, технологической воды производится через штуцера 13, 14 и 15. В верхней крышке корпуса аппарата предусмотрен штуцер отвода отработанной газовой смеси 16 и штуцера для рециркуляции газовой смеси 17. В нижней точке аппарата установлен штуцер для слива жидкости 18.
Пример расчета эффективности данного технического решения.
За основу возьмем струйный аппарат описанный выше.
Гидростатический подъем жидкости 18-20 м.вод.ст.,
Сопротивление теплообменника около 6 м.вод.ст.,
Сопротивление контура циркуляции около 6 м.вод.ст.
Таким образом, общее сопротивление всего контура циркуляции составит 30-32 м.вод.ст.
В нашем случае.
Высота монолитного столба жидкости в аппарате - 15 м
Среднее газосодержание в аппарате - 0,25
Газосодержание в контуре циркуляции жидкой фазы - 0,05
Сопротивление теплообменника около 6 м.вод.ст.,
Сопротивление контура циркуляции около 6 м.вод.ст.
Гидростатический подъем жидкости в нашем случае составит:
м
ц
м
а
Δ Н=Н × (1 - Ψ) - Н × (1 - Ψ)
м
а
ц
где: Н - высота монолитного столба жидкости в аппарате, м; Ψ, Ψ - газосодержание в аппарате и в контуре циркуляции жидкой фазы, соответственно, м.
тогда
Δ Н=15 × (1 - 0,05) - 15 × (1 - 0,25)=3 м.вод.ст.
Принимая из промышленных расчетов, что сопротивление заглубленных напорных эжекторов составляет около 8 м.вод.ст. общее сопротивление всего контура циркуляции в нашем случае составит 23 м.вод.ст., что на 23 - 28% меньше, чем у струйных аппаратов рассмотренных выше. Таким образом, данное техническое решение позволит обеспечить кратность циркуляции жидкости в аппарате с расходом энергии на 23-28% меньше.
Эти технические решения позволяют повысить массообмен в аппарате, установить циркуляционные насосы меньшей мощности при обеспечении той же циркуляции жидкой фазы и, как следствие, снизить удельные энергозатраты на выпуск готовой продукции.
Все вышеизложенное говорит о промышленной применимости предлагаемого аппарата для выращивания микроорганизмов.
Источники информации
1. У.Э. Виестур, А.М. Кузнецов, В.И. Савенков. Системы ферментации. Рига, «Зинатне», 1986
Перечень позиций
1. Аппарат для выращивания микроорганизмов включает
2. корпус
3. расширенная часть корпуса
4. напорный эжектор
5. камера смешения
6. теплообменники
7. побудитель расхода жидкости
8. трубопровод
9. вертикальный успокоительный элемент
10. трубопровод
11. штуцер подачи кислорода
12. штуцер подачи газового субстрата
13. штуцер подачи питательных солей
14. штуцер подачи титрующего раствора
15. штуцер подачи технологической воды
16. штуцер отвода отработанной газовой смеси
17. штуцер для рециркуляции газовой смеси
18. штуцер для слива жидкости