Об аппарате для получения микроорганизмов методом микробного синтеза

УДК 631.358 А.В. Онхонова

ОБ АППАРАТЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ МЕТОДОМ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА

В статье приводятся технические разработки, направленные на совершенствование конструкции ферментаторов, в результате которых интенсифицируется процесс выращивания белковых масс.

Ключевые слова: ферментатор, мешалка, полый вал, двухъярусная заградительная сетка, пеноразбивающее устройство.

A.V. Onkhonova ABOUT THE DEVICE FOR MICROORGANISMS RECEIVING BY MEANS OF THE MICROBIC SYNTHESIS METHOD

Technical developments directed to the fermenters design perfection that results in the process of albuminous mass incubation intensification are given in the article.

Key words: fermenter, mixer, hollow shaft, two-storied protecting grid, foam destroying device.

Дальнейшее развитие микробиологической промышленности продвинуло далеко вперед проблему создания специальной аппаратуры для культивирования микроорганизмов - продуцентов биологически активных веществ (БАВ) и биологически активных добавок (БАД) (витаминов, ферментов и др.). Предлагаются различные конструкции аппаратов. Аппараты для микробного синтеза могут быть с подводкой воздуха (аэробные) и без подводки воздуха (анаэробные). В аэрируемых аппаратах могут использоваться мешалки или конструкция может обходиться без них.

Большое распространение получили аппараты (ферментаторы) для культивирования микроорганизмов методом микробного синтеза глубинным способом. В числе недостатков ферментаторов отмечаются громоздкость конструкции, низкая производительность и т.д.

В целях усовершенствования конструкций ферментаторов и интенсификации биохимического процесса ферментации нами предложены технические разработки, новизна которых защищена патентами №47888, 58534, 72480, 75390 [1-4], на основании которых сконструирован ферментатор, схема его приведена на рисунке 1. Детали к ферментатору изготовлены заводским способом.

1 " 8 1

3 2

4

7

Рис. 1. Схема ферментатора: 1 - корпус; 2 - центральный вал; 3 - верхняя мешалка; 4 - центральная мешалка; 5 - нижняя мешалка; 6 - теплообменная рубашка; 7 - выгрузной патрубок; 8 - питательный патрубок; 9 - патрубок для отработанного воздуха; 10 - электродвигатель; 11 - основание

5

Ферментатор состоит из корпуса 1, центрального вала 2, верхней 3, центральной 4, нижней мешалки 5, теплообменной рубашки 6, выгрузного патрубка 7, питательного патрубка 8, патрубка для отработанного воздуха 9, электродвигателя 10, основания 11.

Перемешивающее устройство, состоящее из верхней, центральной и нижней мешалок, представлено на рисунке 2.

Рис. 2. Перемешивающее устройство в сборе

Конструкция устройства проста. Конструкция верхней мешалки обеспечивает рациональное перемешивание и пеногашение.

Верхняя мешалка 1 (рис. 3) выполнена в виде перфорированного диска с Т-образными лопатками. Диаметр мешалки максимально приближен к внутреннему диаметру ферментатора.

Рис. 3. Верхняя мешалка

Принцип работы верхней мешалки следующий. В результате культивирования образованные пенные оболочки со скоростью 30-40 м/с устремляются к выходу из ферментатора. Перфорации, выполненные в

теле диска, способствуют задержке, снижению скорости выхода газов и разбиванию пенных оболочек. Часть их разбивается об острые козырьки лопаток, а часть разбивается по пути другими устройствами.

Такое исполнение верхней мешалки способствует более полному охвату объема среды и лучшему ее перемешиванию в верхней части аппарата. Продукты, подхваченные в оболочке пенных пузырьков, в результате их разбивания, не выносятся из аппарата и возвращаются обратно в ферментатор для продолжения биотехнологического процесса

Центральная мешалка (рис. 4) представляет собой прямоугольную пластину, боковые стороны которой имеют удлиненные прорези, а в самой пластине выполнены сквозные отверстия для прохода частичек питательной жидкости. Такое выполнение центральной мешалки способствует интенсивному перемешиванию культуральной жидкости и равномерному распределению компонентов смеси по всему объему аппарата с высоким газосодержанием и степенью диспергации питательной среды.

Рис. 4. Центральная мешалка

Нижняя мешалка (рис. 5) выполнена в виде полой крестовины с перфорированными отверстиями для выхода нагнетаемого воздуха в культуральную жидкость.

у*

Рис.5. Нижняя мешалка (аэратор) в виде крестовины с перфорированными отверстиями

Назначение нижней мешалки - предотвращать оседание компонентов смеси на дно ферментатора. В результате интенсивного перемешивания частицы полезных веществ легко поднимаются со дна аппарата и вовлекаются в общую зону перемешивания.

В процессах по выращиванию микроорганизмов исключительное значение имеет аэрация культуральной среды. Чем больше кислорода, тем лучше идет биосинтез. Поскольку кислород играет большую роль в химических превращениях в клетке, подача, контроль и регулирование его концентрации в среде при биосинтезе очень важны.

В работе [5] приводится конструкция ферментатора, в котором воздухораспределительная система вместе с барботажным устройством высвобождены, и подача воздуха осуществлена через полый центральный вал аппарата. Воздух нагнетается по валу и выходит через перфорированные отверстия нижней мешалки, выполненной в виде крестовины (см. рис. 5). Раздача воздуха происходит снизу вверх. При такой конструкции аппарата подача кислорода более рациональна, в результате высвобождения сложной конструкции увеличивается вместимость аппарата, приводящая к увеличению производительности выпускаемой продукции. Приведенная конструкция ферментатора с полым валом и нижней мешалкой с перфорированными отверстиями отличается своей простотой и надежностью в работе.

В результате ввода кислорода в ферментатор возникает пена в значительном количестве, это связано с содержанием в среде питательных субстратов, солей, продуктов метаболизма микроорганизмов и поверхностно-активных веществ. Считается, что образование и наличие пены играет двойную роль. С одной стороны, наличие пены приводит к ускорению растворения кислорода в среде - образуется большая поверхность массообмена, с другой стороны, интенсивное пенообразование часто затрудняет максимальное использование емкости ферментатора, так как возможен выброс пены и потери продукта, при этом нарушаются и асептические условия ферментации. По нашему мнению, при выращивании микроорганизмов и других процессах биосинтеза, которые непременно сопровождаются образованием значительного количеств пены, есть единственный способ борьбы - это механическая борьба с этим явлением. Применение химических пеногасителей затрудняет процесс микробного синтеза, к тому же увеличивается себестоимость получаемой биопродукции.

В качестве пенного разрушителя предложена разработка в виде двухъярусной заградительной сетки, снабженной острыми шипами, которые имеют разную высоту (рис. 6). В качестве заградительной сетки использована мелкоячеистая металлическая поверхность с сетчатым плетением.

А

Рис. 6. Двухъярусная заградительная сетка с острыми шипами разной высоты

Двухъярусная заградительная сетка установлена непосредственно под крышкой ферментатора и надевается на полый вал. Шипы одной высоты (см. рис.6) расположены в шахматном порядке. Установка предложенной разработки в аппарате дает следующее преимущество. Пенные газы, образовавшиеся в процессе культивирования, с большой скоростью устремляются к выходному патрубку. Встречая на своем пути препятствия в виде заградительной сетки с острыми шипами разной высоты, ударяясь о которые, газы лопаются, теряют свою скорость. Пенные газы, прорвавшиеся сквозь первый ярус сетки, разбиваются об острые шипы второго яруса. Освобожденные от пенных оболочек газы через отверстия в сетке выходят из аппарата, а полезные вещества обратно вовлекаются в технологический цикл.

Для окончательного устранения пены на выходе из аппарата предусмотрено пеноразбивающее устройство, выполненное в виде полусферы (рис.7).

I

Рис. 7. Пеноразбивающее устройство

Внутри пеноразбивающего устройства ярусно укреплены посредством стержней три отбойные тарелки, имеющие разный диаметр по окружности. Поверхность тарелок снабжена отверстиями в виде многогранников (например, прямоугольников, ромбов, треугольников и т.д.). Профиль тарелок выполнен по параболической кривой, вогнутой стороной направленных навстречу выходящим из аппарата газам. Диаметр нижней тарелки больше диаметра верхней тарелки. Пеноразбивающее устройство соединено с патрубком для отвода отработанного газа.

Принцип работы отбойных тарелок заключается в следующем. При выходе пенных оболочек, не разбившихся в ферментаторе, их встречает нижняя отбойная тарелка с вогнутой поверхностью. При столкновении с поверхностью тарелки пенные оболочки в результате механического удара разбиваются. Освободившиеся от пенных оболочек газы выходят в атмосферу, а частички продукта падают вниз и вовлекаются в общий процесс биосинтеза. Пенные оболочки, прорвавшиеся сквозь отверстия нижней тарелки, разбиваются на средней и верхней поверхностях тарелок.

Выводы

1. Существующие ферментаторы морально устарели и физически износились.

2. Разработанные технические предложения направлены на совершенствование технологического процесса по выращиванию микроорганизмов с повышенной биомассой и лучшими питательными свойствами: упрощается конструкция ферментатора, увеличивается его производительность, облегчается процесс биосинтеза.

3. Проведенными исследованиями доказана эффективность работы данного ферментатора при выращивании кормовых дрожжей.

Литература

1. Аппарат для культивирования микроорганизмов: пат. 47888 Российская Федерация: МПК С 12 М 1/04/

Онхонова Л.О. [и др.]; заявитель и патентообладатель Восточно-Сибирский гос. технол. ун-т. -

№ 2005113032/22; заявл. 28.04.05; опубл. 10.09.05, Бюл. № 25. - 2с.

2. Аппарат для культивирования микроорганизмов: пат. 58534 Российская Федерация: МПК С 12 М 1/04/

Онхонова Л.О. [и др.]; заявитель и патентообладатель Восточно-Сибирский гос. технол. ун-т. -

№ 2006117560/22; заявл. 22.05.06; опубл. 27.11.06, Бюл. № 33. - 1с.

3. Аппарат для культивирования микроорганизмов: пат. 72480 Российская Федерация: МПК С 12 М 1/04/

Онхонова Л.О. [и др.]; заявитель и патентообладатель Восточно-Сибирский гос. технол. ун-т. -

№ 2007141808/22; заявл. 12.11.07; опубл. 20.04.08, Бюл. № 11. - 2 с.

4. Аппарат для культивирования микроорганизмов: пат. 75390 Российская Федерация: МПК С 12 М 1/04/

Онхонова Л.О. [и др.]; заявитель и патентообладатель Восточно-Сибирский гос. технол. ун-т. -

№ 2008109471/22; заявл. 12.03.08; опубл. 10.08.08, Бюл. № 22. - 1с.

5. Кокиева Г.Е. Кормовые дрожжи как биологическая добавка в кормлении сельскохозяйственных животных //

Пищевые технологии, качество и безопасность продуктов: мат-лы регион. науч.-практ. конф. - Иркутск, 2006.