Аппарат для выращивания микроорганизмов

 

Изобретение относится к микробиологической и пищевой промышленности. Аппарат содержит вертикальный цилиндрический корпус, разделенный по высоте перегородками на секции ввода дегазирующего культуральную жидкость газа, ввода питательной среды и отвода газа с продуктами метаболизма, культивирования, теплообмена и ввода газа. Аппарат снабжен системой рециркуляции культуральной жидкости из нижней секции культивирования в верхнюю и установленными по высоте корпуса в перегородках цилиндрическими трубами с винтовой спиралью. Стенка труб в секции ввода дегазирующего газа и в секции ввода газового субстрата выполнена из двух коаксиально расположенных с зазором перфорированных цилиндров, между которыми размещены твердые частицы. Между указанными секциями внутри цилиндрических труб установлены с кольцевым зазором заглушенные патрубки для образования столба жидкости над ними. Газовая полость секции культивирования сообщена с секцией ввода газа при помощи трубопровода и нагнетательного устройства. Соотношение диаметров перфорированных цилиндров составляет d₁/d₂=1,1-3,0, а соотношение внутреннего диаметра циркуляционной трубы к диаметру заглушенного патрубка d_п/d₃=1,1-2,6. Изобретение обеспечивает увеличение поверхности контакта газовой фазы с жидкостью, повышение производительности аппарата и снижение энергозатрат на циркуляцию культуральной жидкости и газового субстрата. 2 ил.

Изобретение относится к аппаратам для выращивания микроорганизмов и может найти применение в пищевой и микробиологической промышленности.

Известен аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий цилиндрический корпус, разделенный по высоте перегородками на ряд отдельных секций, включающий патрубки для подвода и отвода газа, систему рециркуляции культуральной жидкости из нижней секции аппарата в верхнюю, на каждой секции в перегородках установлены массообменные устройства, состоящие из трех коаксиально размещенных патрубков, снабженные винтовыми направляющими для закручивания культуральной жидкости и образующие между внутренним и промежуточным патрубками кольцевую полость для подвода газа (SU 1341188 А1, 30.09.1987).

Указанный аппарат имеет недостаточно развитую поверхность контакта газа с жидкостью. Известно, что в струйных аппаратах, к которым можно отнести этот аппарат для выращивания микроорганизмов, достигается низкая интенсивность массообмена. Поверхностный коэффициент массоотдачи составляет (0,4-0,6)•10^-4 м/с, тогда как в пленочных аппаратах эта величина равна (1-3)•10^-2 м/с, то есть на два порядка выше. Рециркуляция газовой фазы в указанном аппарате не обеспечивает эффективное диспергирование газа в жидкости, что приводит к низкой концентрации газового субстрата в ферментативной среде, а следовательно, и недостаточно высокую производительность аппарата.

Ближайшим аналогом предложенного аппарата для выращивания микроорганизмов является аппарат, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, снабженный технологическими штуцерами и разделенный по высоте перегородками на секции ввода питательной среды и отвода газа с продуктами метаболизма, культивирования, теплообмена и ввода газа, систему рециркуляции культуральной жидкости из нижней секции корпуса в верхнюю и установленные по высоте корпуса в перегородках цилиндрические трубы с винтовой спиралью для закручивания и перемешивания культуральной жидкости (SU 1588752 А2, 30.08.1990).

Недостатком известного аппарата является его невысокая производительность вследствие недостаточно развитой межфазной поверхности, при этом не обеспечиваются требуемые массообменные характеристики.

Изобретение решает задачу, заключающуюся в создании аппарата, который позволяет снизить себестоимость готового продукта и создать экологически чистые условия производства.

Технический результат заключается в увеличении поверхности контакта газа с жидкостью путем интенсивного диспергирования газовой фазы в культуральной жидкости, а также снижении энергозатрат на циркуляцию культуральной жидкости и газового субстрата.

Этот результат достигается тем, что в предложенном аппарате, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, снабженный технологическими штуцерами и разделенный по высоте перегородками на секции ввода питательной среды и отвода газа с продуктами метаболизма, культивирования, теплообмена и ввода газа, систему рециркуляции культуральной жидкости из нижней секции корпуса в верхнюю и установленные по высоте корпуса в перегородках цилиндрические трубы с винтовой спиралью для закручивания и перемешивания культуральной жидкости, в верхней части корпуса расположена секция ввода дегазирующего культуральную жидкость газа и стенка труб в этой секции и секции ввода газа выполнена из двух коаксиально расположенных с зазором перфорированных цилиндров, между которыми размещены твердые частицы. Между секциями ввода газа и дегазирующего газа внутри цилиндрических труб установлены с кольцевым зазором заглушенные патрубки для образования столба жидкости над ними, не позволяющего смешиваться газообразным продуктам метаболизма с подаваемым газом. Газовая полость секции культивирования сообщена с секцией ввода газа при помощи трубопровода и нагнетательного устройства. Соотношение диаметров перфорированных цилиндров составляет d₁/d₂ = 1,1 - 3,0, а соотношение внутреннего диаметра циркуляционной трубы к диаметру заглушенного патрубка d_п/d₃ = 1,1 - 2,6.

Изобретение поясняется чертежом, на котором на фиг.1 изображен продольный разрез аппарата и на фиг.2 - цилиндрическая труба с винтовой спиралью.

Аппарат для выращивания микроорганизмов содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, снабженный штуцерами 2 и 3 для подвода и отвода теплоносителя, штуцерами 4 и 5 отвода газового субстрата и подачи рециркулируемого газового субстрата, а также штуцерами 6 и 7 подачи питательной среды и отвода культуральной жидкости на рециркуляцию.

Корпус разделен по высоте перегородками 8 на секции 9 ввода питательной среды и отвода газа с продуктами метаболизма, секцию 10 культивирования микроорганизмов, секцию 11 теплообмена, секцию 12 ввода газового субстрата и секцию 13 ввода дегазирующего культуральную жидкость газа. По высоте корпуса в перегородках 8 установлены цилиндрические трубы 14 с винтовой спиралью 15 из проволоки или ленты для закручивания и перемешивания культуральной жидкости.

Стенки труб 14 в секциях 12 и 13 выполнены из двух коаксиально расположенных с зазором 16 перфорированных цилиндров 17 и 18, между которыми размещены твердые частицы 19. Между секциями 12 и 13 ввода газа и дегазирующего газа внутри цилиндрических труб установлены с кольцевым зазором заглушенные патрубки 20 для образования столба жидкости над ними, не позволяющего смешиваться газообразным продуктам метаболизма с подаваемым газом.

Газовая полость секции 10 культивирования сообщена с секцией 12 ввода газа при помощи трубопровода 21, на котором установлен сепаратор 22, и нагнетательного устройства 23, в частности вентилятора, для рециркуляции газового субстрата.

Соотношение диаметров перфорированных цилиндров 17 и 18 составляет d₁/d₂ = 1,1 - 3,0, а соотношение внутреннего диаметра циркуляционной трубы к диаметру заглушенного d_п/d₃ = 1,1 - 2,6.

В секции 9 ввода питательной среды расположены патрубки 24, выходная часть которых размещена коаксиально в верхней части цилиндрических труб 14. Корпус 1 аппарата снабжен штуцерами 25, 26 и 27 для соответственно ввода дегазирующего газа, подачи газового субстрата и отвода газа с продуктами метаболизма.

Для отвода культуральной жидкости (в случае ее попадания) из полостей секций 12 и 13 служат штуцер 28 и патрубок 29. Перфорированные цилиндры 17 и 18 на двух торцах снабжены кольцевыми заглушками 30 и 31, выполненными из упругого материала.

Выполнение расположенных в секциях 12 и 13 участков труб 14 из двух установленных с зазором перфорированных цилиндров диаметром d₁ и d₂ с соотношением d₁/d₂=1,1-3,0, между которыми плотно размещены твердые частицы и обеспечение соотношения диаметра твердых частиц к диаметру отверстий цилиндров d_ч/d_о= 1,2-5 позволяет обеспечить интенсивное диспергирование чистого газа (без продуктов метаболизма) в культуральную жидкость, перемещающуюся по внутренней поверхности цилиндра 18 и тем самым обуславливает интенсивный вывод газообразных продуктов метаболизма (СО₂, СО и т.д.) из культуральной жидкости в диспергируемый газ. Это предотвращает накопление газообразных продуктов метаболизма в газовом субстрате и, следовательно, увеличивает производительность аппарата по биомассе. В процессе работы при введении газового субстрата в секцию 12 газ проходит через каналы, образованные слоем твердых частиц, что обеспечивает интенсивное диспергирование газового субстрата в потоке культуральной жидкости, стекающей по внутренней поверхности трубы 14. Это существенно увеличивает коэффициенты массоотдачи до (3-8)•10^-2 м/с, а следовательно, повышает концентрацию растворенного газа в жидкости, способствует увеличению концентрации микроорганизмов до 100 кг/м³, повышает производительность аппарата по выпускаемому продукту и позволяет (в совокупности с интенсивным отводом газообразных продуктов метаболизма) перерабатывать высококонцентрированные питательные субстраты с концентрацией редуцирующих веществ до 100 кг/м³, что, в свою очередь, не требует разбавления питательных сред водой и снижает расход отработанной жидкости (стоков), на очистку которых требуются существенные затраты.

Наличие твердых частиц, плотно размещенных в полости между двумя перфорированными цилиндрами, обеспечивает интенсивное диспергирование дегазирующего газа и газового субстрата в потоке культуральной жидкости (обеспечивает наличие многочисленных монодисперсных пузырьков газа), а следовательно, обеспечивает развитую межфазную поверхность, что позволяет снизить расход газа.

При соотношении диаметров перфорированных цилиндров d₁/d₂<1,1 наблюдается локальное (неравномерное) диспергирование газа в поток культуральной жидкости, стекающей по поверхности перфорированного цилиндра.

Как установлено экспериментально, при отношении d₁/d₂>3,0 резко увеличивается толщина слоя твердых частиц, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления и увеличивает энергозатраты на процесс.

Размещение между секцией 12 ввода газового субстрата и секцией 13 дегазирующего газа по оси заглушенных патрубков 20, обеспечение отношения внутреннего диаметра внешнего патрубка к наружному диаметру стакана d_п/d₃= 1,1-2,6 предотвращает смешивание газового субстрата с дегазирующим газом и позволяет осуществлять полное использование газового субстрата, сокращает расход отработанного газа и затраты на его подготовку и очистку. Предотвращение прорыва газового субстрата в верхнюю часть аппарата обеспечивается столбом жидкости, который формируется над заглушенным патрубком 20 и в зазоре между ним и трубой 14.

При d_п/d₃>2,6 жидкость не скапливается над патрубком и стекает через кольцевой зазор, что приводит к смешиванию продуктов метаболизма и газового субстрата, что недопустимо.

При d_п/d₃<1,1 жидкость накапливается в полости цилиндрических труб 14, что ухудшает условия работы аппарата.

Соединение секции культивирования с секцией ввода газа трубопроводом и нагнетательным устройством перемещения газа (например, низконапорным вентилятором) позволяет обеспечить циркуляцию газового субстрата и возврат его в поток культуральной жидкости, что обеспечивает полное использование газового субстрата, уменьшает расход отработанного газа и расход свежего газа, поступающего на аэрацию, снижает энергозатраты на его приготовление, транспортировку и стерилизацию.

Аппарат для выращивания микроорганизмов работает следующим образом.

Питательная среда через штуцер 6 поступает в секцию 9 ввода жидкости, в которую также системой рециркуляции (не изображена) подается культуральная жидкость из нижней секции 10 корпуса 1. Далее суспензия проходит через кольцевые зазоры, образованные патрубком 24 и цилиндрической трубой 14 формируется в виде жидкостного кольца, а затем сплошным потоком (пленкой) стекает по внутренней поверхности трубы 14, по поверхности перфорированного цилиндра 18, обтекая при этом витки винтовой спирали 15, интенсивно перемешивается и контактирует с газовым субстратом через поверхность стекающего потока жидкости и поверхность газовых пузырьков, диспергированных в жидкость вследствие подачи газа в секцию 12 через штуцер 26 и прохождения его через отверстия перфорированных цилиндров, через слои твердых частиц в поток. В процессе культивирования осуществляется вывод газообразных продуктов метаболизма из культуральной жидкости путем подачи газа (чистого воздуха, азота) через штуцер 25 в секцию 13 ввода дегазирующего газа и пропускания его через отверстия перфорированных цилиндров 18 и 19, слой твердых частиц и диспергирования в поток культуральной жидкости. При этом происходит насыщение газа продуктами метаболизма. Затем газовая смесь с продуктами метаболизма поступает в секцию 9 и удаляется из аппарата через штуцер 27. Культуральная жидкость на выходе из цилиндрических труб 14, очищенная от газообразных продуктов метаболизма и насыщенная газовым субстратом, поступает в секцию 10, в которой осуществляется процесс культивирования микроорганизмов при подаче газового субстрата. Газовый субстрат из секции 10 через штуцер 4 нагнетательным устройством 23 вновь подается в секцию 12, что обеспечивает эффективное использование газового субстрата. Для поддержания заданной температуры в аппарате в секцию 11 через штуцер 2 подается теплоноситель (вода) и выводится через штуцер 3.

Изобретение позволяет увеличить производительность аппарата и перерабатывать высококонцентрированные питательные среды, а также обеспечить экологически чистый процесс культивирования путем организации замкнутого цикла по газу и снизить себестоимость выпускаемого продукта.

Формула изобретения

Аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, снабженный технологическими штуцерами и разделенный по высоте перегородками на секции ввода питательной среды и отвода газа с продуктами метаболизма, культивирования, теплообмена и ввода газа, систему рециркуляции культуральной жидкости из нижней секции корпуса в верхнюю и установленные по высоте корпуса в перегородках цилиндрические трубы с винтовой спиралью для закручивания и перемешивания культуральной жидкости, отличающийся тем, что в верхней части корпуса расположена секция ввода дегазирующего культуральную жидкость газа и стенка труб в этой секции и секции ввода газа выполнена из двух коаксиально расположенных с зазором перфорированных цилиндров, между которыми размещены твердые частицы, а между секциями ввода газа и дегазирующего газа внутри цилиндрических труб установлены с кольцевым зазором заглушенные патрубки для образования столба жидкости над ними, не позволяющего смешиваться газообразным продуктам метаболизма с подаваемым газом, при этом газовая полость секции культивирования сообщена с секцией ввода газа при помощи трубопровода и нагнетательного устройства, причем соотношение диаметров перфорированных цилиндров составляет d₁/d₂=1,1-3,0, а соотношение внутреннего диаметра циркуляционной трубы к диаметру заглушенного патрубка d_п/d₃=1,1-2,6.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2