1.3.1 Ферментатори для глибинного культивування мікроорганізмів на рідких живильних середовищах

Глибинне культивування мікроорганізмів - продуцентів біологічно активних речовин - є найбільш складним і тонким процесом одержання продуктів мікробного синтезу. Біосинтез продуцируемих мікроорганізмом біологічно активних речовин залежить від таких факторів, як температура, рН середовища й зростаючої культури, концентрація розчиненого кисню, тривалість культививування, конструкція й матеріал устаткування, у якому відбувається процес, і ін.

Залежно від застосовуваних методів оцінки роботи ферментатори для глибинного вирощування мікроорганізмів підрозділяють на ряд груп по наступних ознаках:

- по способі культивування - на апарати безперервної й періодичної дії;

- по стерильності - на герметичні й не потребуючої строгої герметичності;

- по конструктивних ознаках - на ферментатори з дифузором і турбіною, з обертаючими аераторами, з механічними мішалками, із зовнішнім циркуляційним контуром, колонні ферментатори, з ежекційною системою аерації;

- по способі уведення енергії й організації перемішування й аерації - на апарати з підведенням енергії до газової фази, до рідкої фази й комбінованої.

У мікробіологічній промисловості практично всі процеси культивування продуцентів біологічно активних речовин, за винятком дріжджів для одержання БВК на парафинах, гідролізатах і сульфітних лугах, проводяться періодичним способом у стерильних умовах.

1.3.2 Ферментатори для стерильного культивування мікроорганізмів

Ферментатори з механічним перемішуванням барботажного типу. Даний тип ферментатора широко застосовується для стерильних процесів вирощування мікроорганізмів - продуцентів біологічно активних речовин.

Ферментатори конструкції Гипромедпрома. Це циліндричний апарат вертикального типу з верхнім приводом пристрою, що перемішує. Геометричний обсяг ферментатора коливається в межах 1 – 50 м³. апарати обсягом 50 м³ обладнані пристроєм, що дозволяє змінювати частоту обертання приводу пристрою, що перемішує, від 60 до 140 ^хв-1.

З метою відводу фізіологічного тепла ферментатор постачений багатоярусною сорочкою, що має площа поверхні охолодження 55 м², і змійовиками, розташованими всередині нього, із площею поверхні 39 м². ферментатор, теплообмінні сорочки й змійовики розраховані на робочий тиск 0,29 МПа й температуру стерилізації 140°С.

На валу діаметром 160 мм і довжиною 7000 мм змонтовані два комплекти мішалок, що складаються з відкритих і закритих турбін. Ущільнення вала торцеве, окружна швидкість на кінці мішалки 6,5 м/с. Ферментатор обладнаний барботером розбірної конструкції, що має 2000 конічних отворів діаметром 3 мм, звужуючих донизу. Діаметр апарата 3000 мм, висота без електродвигуна 6800 мм.

Ферментатор фірми «Нордон». Конструкція цього ферментатора відрізняється від вищенаведених тем, що нижньої частини вала розташоване пристрій, що перемішує, із шести регульованих лопат прямокутного розтину, а на верхньої – піно гасячи механічний пристрій із двох лопат прямокутного розтину з ребрами жорсткості, спрямованими убік обертання.

Ферментатори із пневматичним перемішуванням середовища.

До цього типу ставляться апарати, усередині яких змонтовані форсунки, дифузори, барботери для подачі повітря. Вступник повітря використається для перемішування зростаючої культури, забезпечення потреби мікроорганізму в кисні й відводу метаболітів, що утворяться.

Ферментатор циліндричний. Конструктивно такий ферментатор зовні аналогічний ферментатору з механічним перемішуванням, але в ньому відсутні механічні пристрої, що перемішують. Недоліком цього виду ферментатора є більше низька в порівнянні з ферментаторами з механічним перемішуванням величина робочого обсягу, особливо при роботі із сильно пінливими середовищами. Вони застосовуються в тих випадках, коли культура мікроорганізму не має потреби в інтенсивному перемішуванні і її в'язкості невелика.

Також до цього типу ставляться ферментатори: ферментатор кульовий із пневматичним перемішуванням, ферментатор з форсуночним підведенням повітря, ферментатор з інтенсивним масообміном, ферментатор фірми «Хеман».

1.3.3 Ферментатори для нестерильних процесів культивування мікроорганізмів

До нестерильних процесів культивування мікроорганізмів ставляться в основному процеси вирощування продуцентів кормових дріжджів. По конструктивному виконанню ферментатори для виробництва кормових дріжджів аналогічні апаратам для виробництва ферментів, кормових антибіотиків, амінокислот й інших продуктів мікробного синтезу, але в них відсутні паровий або повітряний захист обертових валів і деякі конструктивні елементи.

Ферментатори із пневматичним перемішуванням і внутрішнім циркуляційним контуром. Найбільше поширення одержали ерлифтні дріжджі-вирощувальні апарати системи Лефрансуа із внутрішнім циркуляційним контуром. У гідролізно-дріжджовому виробництві застосовуються апарати цього типу ємністю 250, 320, 600 й 1300 м³. Дані конструкції ферментаторів не мають механічних засобів пеногасіння. Піна гаситься під вагою стовпа рідини при її циркуляції.

Також існують ферментатори із само усмоктувальною мішалкою (ферментатори системи Вальдгофа, з механічним перемішуванням й обертовими аераторами й ін.); горизонтального типу; колонні ферментатори (струминні, з контактними пристроями й ін.)

Ферментатори з ежекційною системою аерації. Конструкція дріжджі-вирощувального апарата АДР - 76 - 900 у цей час широко використається на заводах з виробництва БВК. Ферментатор складається з корпуса 1; периферійного циркуляційного контуру 2; центральні дифузори 5; пристроїв 3, які встановлені в периферійному циркуляційному контурі й центральному дифузорі; теплообмінників 7 і каплевідделителя 4. Привід пристроїв здійснюється від електродвигунів 6.

Подача в апарат живильного й з відвід готового продукту на сепарацію здійснюється через штуцера. Подача повітря для аерації зростаючої культури здійснюється шляхом само усмоктування. Масообмін відбувається при прокачуванні повітрям середовища аераторами через теплообмінники з утворенням висхідних і спадних потоків.

Корпус апарата виготовлений із двошарової корозієстійкої сталі, а теплообмінники, аерируючі пристрої й перегородки - з монолітної сталі.

Технічна характеристика ферментаторів АДР - 76 - 900

Продуктивність апарата, т/год 30 - 36

Ємність, м³

повна 900

робоча 450

Тиск, МПа 0,02

Робоча температура, °З 32 – 34

Середовище, рН 4,2 - 4,4

Площа поверхні теплообміну, м² 2700

Витрата повітря (при нормальних умовах), м³/ч 54000

Кількість аеруючих пристроїв 13

Потужність електродвигуна, кВт 315

Габаритні розміри, мм 17000 – 17000 - 6500

Маса, т 535

До недоліків ферментаторів з ежекційною системою аерації ставляться вібрація валів апаратів, забруднення поверхонь теплообміну й зменшення коефіцієнта тепловіддачі.

Однак ці конструкції ферментаторів є в цей час самими продуктивними в нашій промисловості. [16].

1.3.4 Флотація, сепарування, промивання, випарювання й сушіння для одержання протеїнів

Флотацію як один з ефективних методів збільшення концентрації одержуваного продукту широко використають у мікробіологічній промисловості. Дозволяє скоротити кількість сепараторів, знизити енерговитрати й стабілізувати безперервність технологічного процесів.

Найпоширенішим способом флотації є флотація диспергуванням повітрям, при якій повітря диспергуєтся в рідкому середовищі з утворенням пухирців діаметром більше 1 мм. Спосіб простий по апаратному оформленню, але вимагає більших витрат повітря. У цілому цей спосіб підходить для одержання протеїну.

Коефіцієнт флотації: відношення концентрованої біомаси в суспензії, що виходить із флотатора, до концентрації біомаси у вихідному середовищі. Він звичайно дорівнює 4 - 6. Збільшення його вказує на зниження продуктивності апарата. КПД флотатора збільшується зі зменшенням діаметра пухирців у повітрі.

У випадку одержання протеїну зручно використати пневматичного флотатора. Одноступінчастий пневматичний флотатор місткістю 100 м³ мають продуктивність 105 – 120 м³/ч. Час перебування середовища приблизно 10 хвилин. Обсяг займаний повітрям суспензії, 55 - 65 %.

Поділ систем на фракції, що володіють різними плотностями, найбільше ефективно здійснювати при сепаруванні. Сепарування знайшло широке застосування при концентрації кормових дріжджів, при поділі емульсій і посвітлінні розчинів БАВ перед концентруванням у випарних апаратах й ультра фільтраційних установках.

Застосування сепарування дозволяє розділяти важко фильтрующимся суспензії, інтенсифікувати виділення й концентрування МО й твердих часток розміром 0,5 мкм. Рушійної силоміць процесу є відцентрова сила.

Ефективність сепарування пропорційна частоті обертання, його діаметру, розміру часток, різниці плотностей твердих і рідких фаз. При збільшенні в'язкості середовища знижується ефективність сепарування. Продуктивність сепарування залежить від фізико-хімічних властивостей обробленого продукту, а також від необхідного ступеня згущення. Для одержання протеїну зручніше за все використати сепаратори з відцентровим безперервним вивантаженням осаду.

Культуральна рідина надходить через трубу у внутрішню порожнину барабана, де під дією відцентрової сили розтікається по тарілках. Більше щільна маса відкидається на периферію барабана. Отсепарована легка фракція рідиною приділяється через патрубок. Промивання сепаратора виробляється без його розбирання, для чого на барабана встановлюються 3 пружинних клапани, яких відкриваються, коли швидкість падає нижче певного рівня й зміст вивантажується перш, ніж барабан почне промиватися очищеною водою, а камера з напірною трубкою в центрі барабана очищається при зворотному токовищі промивної води.

У МБП найбільше широко використають процес випарювання у вакуумних установках (апаратах) як найбільш економічний спосіб попередньої концентрації продуктами біосинтезу. Для виробництва протеїну вигідно використати випарні тонкошарові апарати з теплообміном: максимальне виробництво по паркій волозі, т/г - 8.

Видалення води з напівпродуктів мікробного синтезу є однієї з кінцевих операцій у виробництві БА препаратів. До видалення води культуральна рідина має вологість 30 - 60 %. У сушильних установках вона збезводнюється до 5 - 12 %. Всі продукти мікробного синтезу діляться на 2 групи:

- продукти, у яких після сушіння не потрібно охороняти життєздатність МО або високої активності препаратів й які використаються як джерела живильних речовин;

- продукти, у яких після сушіння необхідно зберігати життєздатність або високу активність препаратів.

У випадку одержання протеїну необхідно зберігати життєздатність і високу активність препаратів. Застосовуються умови, що щадять, сушіння. Необхідно знати вологість вихідних і кінцевих продуктів, капілярну структуру, в'язкість, поверхневий натяг, коефіцієнт теплоємності, температуропровідності й теплопровідність, термолабильность, хімічний склад й ін.

Для одержань протеїну зручно використати розпилювальні сушарки для термолабільних розчинів. Концентрація сухих речовин у розчинах повинна бути не менш 10 %. РС застосовують м'який режим сушіння, що виключає втрати БАВ. У РС рідину перетворюють у туман. Камери для сушіння виготовляються з нержавіючої сталі. Достоїнством РС є швидкість сушіння, низька температура матеріалу сушіння, одержання порошку. Через швидке сушіння температура матеріалу, не перевищуючу температуру паркої вологи (60 – 70 °С) і вологи (60 – 70 °С) і залишається значно нижче температури сушильного агента. [16].