Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Медицина arrow Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств

Барботажно-эрлифтные ферментёры

Барботажно-эрлифтные ферментёры относятся к аппаратам, которые нашли широкое применение в производстве кормовых дрожжей из гидролизатов древесины и сульфитных щелоков на гидролизных и целлюлозно-бумажных заводах. Обычно ферментёр представляет собой вертикальную цилиндрическую емкость с #0//) < 2. Характерной конструктивной особенностью этих аппаратов является наличие одного или нескольких диффузоров (стаканов) или перегородок для принудительного разделения восходящих и нисходящих потоков циркулирующей культуральной жидкости. Одновременно они играют роль теплообменников. Диффузоры, если их несколько, равномерно рассредоточивают по сечению аппарата или устанавливают концентрично [4; 5; 7: 8; 10; 29]. Обычно газораспределительное устройство размещают в нижней части аппарата у днища в зоне восходящего потока. Известно более 30 конструкций барботажно-эрлифтных ферментёров. Разрабатываются все новые и новые конструкции.

Вариант ферментёра с контактными устройствами

Рис. 5.14. Вариант ферментёра с контактными устройствами:

7 — механический пеногаситель; 2 — корпус; 3 — змеевик; 4 — тарелка; 5 — рубашка; б — горизонтальный теплообменник; 7 — воздуховод; 8 — тарелка

Нами рассмотрены промышленные ферментёры, которые широко применяются при производстве кормовых дрожжей, а также новые конструкции, позволяющие, по мнению их разработчиков, повысить эффективность процесса культивирования.

Ферментёр системы Лефрансуа

Аппарат представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, внутри которого концентрично установлен диффузор-теплообменник (рис. 5.15). Воздух в аппарат вводится через воздуховод, проходящий по центру аппарата. В нижней части ферментёра воз-

духовод опирается на коническое основание, образующее с днищем кольцевой зазор для выхода воздуха. В аппарате имеется система труб, через которые исходные потоки питательных веществ, воды, микроэлементов и др. вводятся в воронку, расположенную у центра аппарата над поверхностью жидкости и соединяющуюся трубой с нижней частью ферментёра. Гашение пены осуществляется гидростатическим давлением столба эмульсии и частично — за счет циркуляции культуральной жидкости. Однако в ряде случаев имеют место выбросы пены из аппаратов, и тогда пену гасят путем подачи в аппарат органического или химического пеногасителя. Достоинством таких аппаратов является отсутствие подвижных узлов и деталей и простота эксплуатации. В качестве серьезных недостатков следует отметить малоинтенсивный массообмен (скорость растворения кислорода в промышленных аппаратах составляет не более 2—3 кг/м3 • ч). Поэтому Лефрансуа предложил установить в ферментёре перемешивающее устройство для интенсификации массообмена и циркуляции.

Воздух

I

Схема дрожжерастильного аппарата системы Лефрансуа

Рис. 5.15. Схема дрожжерастильного аппарата системы Лефрансуа: 7 — воздухоподводящая труба; 2 — диффузор

Эрлифтно-периферийный ферментёр

Конструкция ферментёра разработана институтом «Гипро-биосинтез» и представляет собой модифицированный аппарат системы Лефрансуа. Аппарат (рис. 5.16) состоит из вертикального цилиндрического корпуса, внутри которого концентрично установлены два диффузора-теплообменника. В центре аппарата проходит воздушная труба, которая опирается на воздухораспределитель, образующий между днищем аппарата и стенками корпуса круговую щель для выхода воздуха. В нижней части трубы имеются отверстия для выхода воздуха в центральный диффузор. В аппарате установлена воронка, к которой по трубопроводам подводятся парафин и питательные соли. В верхней, наружной части аппарата расположен трубчатый коллектор с перфорированной нижней частью, служащий для подвода охлаждающей воды в процессе выращивания дрожжей. Нагретая вода собирается в кольцевом кармане.

X

С[

го

О

Эрлифтно-периферийный ферментёр

Рис. 5.16. Эрлифтно-периферийный ферментёр:

  • 7 — корпус; 2 — воронка; 3 — диффузор центральный; 4 — воздухораспределитель;
  • 6 — диффузор периферийный; 6 — воздухоподводящая труба

Достоинствами таких аппаратов являются относительно небольшие энергозатраты на перемешивание жидкости, низкие эксплуатационные затраты, простота и механическая надежность конструкции, невысокая стоимость изготовления; недостатками — малоинтенсивный массообмен (Кьа = 250—350ч'1), что сказывается на производительности аппаратов. Основной причиной недостаточно интенсивного массообмена является плохое диспергирование воздуха. В аппарате образуются большие воздушные пузыри. Имеет место проход воздуха, не участвующего в массооб-мене. В связи с плохим диспергированием воздуха поверхность фазового контакта небольшая. Незначительные неточности в изготовлении воздухораспределительной системы приводят к тому, что гидравлическое сопротивление воздухораспределителя неодинаково.

Эрлифтный многозонный ферментёр

Конструкция ферментёра (рис. 5.17) разработана институтом «Гипробиосинтез» и также представляет собой разновидность модифицированных аппаратов системы Лефрансуа. Аппарат состоит из вертикального цилиндрического корпуса, внутри которого установлены три диффузора-теплообменника. Имеются аппараты и с большим количеством диффузоров. Воздух подводится через центральные трубы, опирающиеся на кюветы и образующие с ними кольцевые щели для выхода воздуха в зону, охватываемую диффузорами. На трубах и в верхней части над диффузорами установлены зонты для направления пены обратно в поток. Аппарату присущи достоинства и недостатки эрлифтно-периферийного ферментёра.

Эрлифтный многозонный ферментёр

Рис. 5.17. Эрлифтный многозонный ферментёр:

  • 7 — корпус; 2 — диффузор; 3 — воздухоподводящие трубы; 4 — направляющий зонт;
  • 5 — воздухораспределитель

Барботажно-эрлифтный ферментёр

В ИркутскНИИхиммаше разработана конструкция аппаратов емкостью 250 и 1100 м3 для выращивания кормовых дрожжей на жидких парафинах нефти [5]. Аппарат (рис. 5.18) состоит из вертикального цилиндрического корпуса, крышки с диффузорами, внутри которых находятся пеногасители и тангенциальные выводы воздуха. Снаружи корпус аппарата опоясывает воздушный коллектор с патрубками, снабженными задвижками для регулирования расхода воздуха. Внутри аппарата концентрично установлены два диффузора: центральный и периферийный. В периферийной зоне размещены коробчатые барботажные секции. Центральная аэрирующая секция вместе с центральным диффузором образуют кольцевой проход для притока циркулирующей дрожжевой суспензии. Воздух в воздушный коллектор подводится с помощью воздуходувных машин в двух точках. Внутри аппарата в нижней части аэрируемых зон расположены коллекторы для равномерного распределения парафина и аммиачной воды, а в верхней части — коллектор для солевого раствора.

Разработаны и эксплуатируются в микробиологической промышленности ряд вертикально цилиндрических барботажно-эрлифтных ферментёров серии ЭВЦ различных типоразмеров [32] (от 0,63 м3 до 63,00 м3), например рис. 5.19.

Воздух

Воздух

Рис. 5.18. Барботажно-эрлифтный ферментер:

7 — крышка, 2 — корпус, 3 —воздушный коллектор, 4 — коллекторы для подвода исходных компонентов, 5 — барботажная секция, 6 — центральный барботёр, 7 — центральный диффузор, 8 — периферийный диффузор, 9 — воздухоподводящая труба, 10 — пеногаситель, 11 — направляющий аппарат.

На рис. 5.20—5.23 показаны другие конструктивные решения барботажно-эрлифтных ферментёров.

Ферментёр ЭВЦ 320-4К

Предназначен для выращивания кормовых дрожжей на гидролизатах древесины с содержанием РВ до 3% (см. рис. 5.20).

Применяют на гидролизно-дрожжевых и фурфурольно-дрож-жевых заводах.

Ферментёр — вертикальная цилиндрическая емкость, внутри которой по окружности диаметром 2900 мм равномерно размещены аэрирующие и циркуляционные диффузоры. Аэрирующие устройства расположены под диффузорами, соосно им, позволяя восходящему потоку аэрированной рабочей среды проходить внутри диффузоров. В наддиффузорном пространстве аэрирующий воздух сепарируется и удаляется из аппарата, а рабочая среда в междиффузорном пространстве направляется вниз, образуя нисходящий поток. Диффузоры изготовлены в виде отрезков труб диаметром 1300 мм и высотой 5375 мм, снабженных рубашками с винтообразными ходами для хладагента.

Ферментёр изготовлен из стали 08Х22Н6Т.

Рабочая среда — коррозионная, водородный показатель pH = 4,2—

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Объем, м3:

21

Атмосферное 0,3 (3)

  • 36-38
  • 28
  • 3400x3630x9120
  • 9470

номинальный

рабочий

Давление, МПа (кгс/см2): в ферментаторе в рубашке диффузора Температура, °С: рабочей среды стерилизации

Площадь поверхности теплообмена, м2 Габаритные размеры, мм Масса, кг

Барботажно-эрлифтный ферментёр ЭВЦ 63-1К

Рис. 5.19. Барботажно-эрлифтный ферментёр ЭВЦ 63-1К

ш! Ш

И

и

п

к

ж

щ

Таблица штуцеров

Обозна

чение

Назначение

Условный

проход,

мм

Условное

давление,

МПа

(кгс/см2)

Коли

чество

/1

Подача сусла

50

1 (10)

1

Б

Подача аммиачной воды

15

0,6(6)

1

В

Подача солей

32

0,6(6)

1

Е

Подача технологической воды

50

1 (10)

1

Ж

Подача промывной воды

20

0,6(6)

3

И

Подача пара

25

0,6(6)

1

к

Подвод воздуха

250

1 (10)

1

л

Слив

100

1(10)

1

м

Выход воздуха

300

1 (Ю)

1

н

Вход охлаждающей воды

50

1 (10)

1

п

Выход охлаждающей воды

50

1 (Ю)

1

р

Пробоотборник

20

1 (Ю)

1

с

Установка термометра

М20х1,5

1

т

Установка рН-метра

2

У

Установка указателя уровня

15

0,6 (6)

1

ф

Смотровое окно

120

0,6(16)

2

Ц

Люк-лаз

500

0,1(10)

1

ш

Засев дрожжей

50

1 (10)

1

ю

Для моющей головки

125

0,6 (6)

3

я

Технологический люк

100

1

Рис. 5.19. Окончание

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Объем, м3:

номинальным

рабочий

Давление, МПа (кгс/см2): в ферментаторе в рубашке диффузора Температура, °С: рабочей среды охлаждающей воды

Площадь поверхности теплообмена, м2 Расход воздуха на аэрацию, м3/ч, не менее Габаритные размеры, мм Масса, кг

  • 100
  • 0,002 (0,02)
  • 0,063 (0,63)
  • 36-38
  • 160
  • 10000
  • 6200х6200х 15900
  • 26590

6200

Рис. 5.20. Барботажно-эрлифтный ферментёр ЭВЦ 320-4К

Обозна

чение

Назначение

Условный

проход,

мм

Условное

давление,

МПа

(кгс/см2)

Коли

чество

А

Вход сусла и питательных веществ

100

1

Б

Вход аммиачной воды

20

1

Обозна

чение

Назначение

Условный

проход,

мм

Условное

давление,

МПа

(кгс/см2)

Коли

чество

в

Вход засевных дрожжей

100

1

г

Вход воздуха

400

1

д

Вход отработанного воздуха

600

1

Е

Отбор дрожжевой суспензии

150

0,6(6)

1

Ж

Отбор проб

20

3

И

Слив

150

3

К

Резервный

100

2

Л

Вход охлаждающей воды

100

0,6(6)

1

м

Выход охлаждающей воды

100

0,6(6)

1

н

Люк-лаз

800

0,1(1)

1

п

Смотровой люк

600

0,1(1)

2

р

Для моющей головки

150

0,25 (2,5)

4

с

Установка термометра

М20

1

У

Установка датчика рН-метра

1

ф

Вход воздуха в указатель уровня

20

0,25 (2,5)

1

и

Промывка

20

0,25 (2.5)

1

Рис. 5.20. Окончание

Ферментёр ЭВЦ 630-6У-01 (ЭВЦ 630-6К-01)

Предназначен для выращивания кормовых дрожжей на гидролизных средах с содержанием РВдо2% (см. рис. 5.21).

Ферментёр — вертикальная цилиндрическая емкость, в которой размещены шесть щелевых аэраторов диаметром 1000 мм с регулируемой шириной щели для выхода воздуха. В аэраторы воздух поступает от отводов центральной трубы, что способствует его равномерному распределению при отсутствии регулировочной арматуры. Для ускорения удаления осадка шлама аэраторы приподняты на 1400 мм над наиболее низкой частью днища. Над аэраторами установлены циркуляционные диффузоры с теплообменными рубашками. В нижней части диффузоров укреплены по две конусные обечайки, образующие камеру смешения.

Компоновка аэраторов и диффузоров позволяет газожидкостной смеси из камеры смешения поступать в междиффузорное пространство и создавать восходящий поток. Нисходящий поток образуется во внутренней полости диффузоров.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Объем, м3:

номинальный

рабочий

аэрируемый

Давление, МПа (кгс/см2): в ферментаторе в рубашке диффузора Температура, °С: рабочей среды охлаждающей воды.

Площадь поверхности теплообмена, м2 Расход воздуха, м3/ч Габаритные размеры, мм Масса, кг

210

Атмосферное 0,25 (2.5)

  • 36-38
  • 400
  • 18000
  • 8050х8050х 15480 49180+1000
Барботажно-эрлифтный ферментёр ЭВЦ630-6У-01 (ЭВЦ630-6К-01)

Рис. 5.21. Барботажно-эрлифтный ферментёр ЭВЦ630-6У-01 (ЭВЦ630-6К-01)

Обозна

чение

Назначение

Условный

проход,

мм

Условное

давление,

МПа

(кгс/см2)

Коли

чество

А

Вход сусла бражки

150

1(10)

1

Б

Вход аммиачной воды

20

1(10)

1

Д

Вход пара

50

1(10)

2

Е

Резервный

150

1(10)

1

Ж

Вход промывной воды

50

1(10)

1

И

Промывка трубки указателя уровня

20

1(10)

1

Обозна

чение

Назначение

Условный

проход,

мм

Условное

давление,

МПа

(кгс/см2)

Коли

чество

к

Вход воздуха

600

0,6 (6)

і

л

Слив

200

1(10)

3

м

Выход воздуха

1200

1

н

Вход охлаждающей воды

200

10(100)

1

п

Выход охлаждающей воды

200

1(10)

1

р

Отбор проб

32

1

т

Заземление

1

У

Установка указателя уровня

20

1(10)

1

ф

Шкаф для установки датчиков

0,3 (3)

1

ц

Люк-лаз

600

0,3 (3)

2

я.

Люк-лаз

800

2

э

Для промывки

20

1(10)

6

ш

Вход чистой культуры

100

1(10)

1

ш

Отбор дрожжевой суспензии

200

1(10)

1

Рис. 5.21. Окончание

Днище емкости — конусное, с небольшим уклоном от оси к периферии, что ускоряет удаление шлама из аппарата. Крышка аппарата также выполнена конусной. Из-за небольшого поперечного сечения ферментёра питательный субстрат (гидролизное сусло) вводят в одну точку — в центр аппарата. Под крышкой аппарата установлен комплект центробежных сопел для мойки верхней части стенок и крышки.

Днище и внутренние устройства аппарата изготовлены из стали 08Х22Н6Т, корпус аппарата — из стали 09Г2С.

Аппарат может быть изготовлен из стали 12Х18Н ЮТ (ферментёр ЭВЦ630-6К-01).

Рабочая среда — слабокислая, нетоксичная, невзрывоопасная, водородный показатель pH = 4,2—4,6.

Ферментёр ЭВЦ 630-7У-01

Предназначен для выращивания кормовых дрожжей на после-спиртовой барде с содержанием РВ до 1%.

Ферментёр — вертикальная цилиндрическая емкость, в которой размещены семь циркуляционных диффузоров с аэрирующими кюветами с регулируемой шириной щели для выхода воздуха (см. рис. 5.22). В кюветы воздух подают по трубам от распределителя.

Над кюветами установлены циркуляционные диффузоры с теплообменными рубашками.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Объем, м3:

номинальный

рабочий

Давление, МПа (кгс/см в ферментаторе

230

охлаждающей воды промывной воды Температура, °С: рабочей среды

охлаждающей воды

Площадь поверхности теплообмена, м2 Расход воздуха на аэрацию, м3/ч Расход промывной воды, м3/ч Габаритные размеры, мм Масса, кг

Атмосферное

  • 0,3(3)
  • 0,35(3,5)
  • 37-39
  • 400
  • 10000
  • 8250х8220х 15800
  • 56535

Обозна

чение

Назначение

Условный

проход,

мм

Условное

давление,

МПа

(кгс/см2)

Коли

чество

А

Вход барды

150

1(10)

1

Б

Вход аммиачной воды

20

1(10)

1

В

Вход чистой культуры

100

1(10)

1

Е

Резервный

100

1(10)

1

Обозна

чение

Назначение

Условный

проход,

мм

Условное

давление,

МПа

(кгс/см2)

Коли

чество

ж

Вход промывной воды

50

1(10)

1

и

Для промывки трубки уровня

20

1(10)

1

к

Вход воздуха

500

1(10)

1

л

Слив

150

1(10)

3

м

Выход воздуха

1000

1

н

Вход охлаждающей воды

150

1(10)

1

п

Выход охлаждающей воды

150

1(10)

1

р

Отбор проб

20

1(10)

3

У

Установка указателя уровня

20

1(10)

1

ф

Установка датчика pH-метра

1(10)

1

Ц

Люк-лаз

600

0,3 (3)

2

ш

Вход питательных солей

40

1(10)

1

щ

Отбор дрожжевой суспензии

200

1(10)

1

э

Для промывки

200

1(10)

6

ю

Воздух для продувки

20

1(10)

3

я

Люк-лаз

500

Налив

2

Рис. 5.22. Продолжение

Компоновка кювет и диффузоров позволяет газожидкостной смеси с периферии аэраторов поступать в полость диффузоров и создавать восходящий поток. Нисходящий поток образуется в междиф-фузорном пространстве.

Для облегчения удаления шлама из ферментёра днище емкости изготовлено конусным, с небольшим уклоном от оси к периферии. Крышка ферментёра также конусная, что позволяет улучшать сток атмосферных осадков. Из-за небольшого поперечного сечения ферментёра послеспиртовую барду вводят через штуцер, расположенный на крышке. Под крышкой аппарата установлен комплект центробежных сопел для мойки верхней части стенок и крышки.

Обечайка, внутренние устройства, крышка и днище ферментёра изготовлены из стали 12Х18 Н1 ОТ.

Рабочая среда — слабокислая, нетоксичная, невзрывоопасная, водородный показатель pH = 4—4,4.

Ферментёры системы Лефрансуа-Марийе объемом 250, 320 и 600 м3 были установлены в 1960-е гг. французской фирмой «Сорис» на некоторых наших гидролизных и целлюлозно-бумажных комбинатах для непрерывного получения кормовых дрожжей. Эти ферментёры имели ряд преимуществ перед использовавшимися в то время барботажными ферментёрами и аппаратами с механическим перемешиванием среды. В последние десятилетия на заводах по производству кормовых дрожжей из растительного сырья установлены и эксплуатируются отечественные ферментёры системы Лефрансуа-Марийе объемом 600 м3 (см. рис. 5.23). Резервуар ферментёра имеет цилиндрическую форму с усеченным днищем, предотвращающим застой среды. Одна треть объема ферментёра заполнена питательной средой. По воздуховоду диаметром 400 мм от воздуходувки типа ТВ производительностью 10 тыс. м3/ч в ферментационную среду подается воздух. В нижней части воздуховодная труба выполнена в виде

Ферментёр объемом 600 м с эрлифтной системой

Рис. 5.23. Ферментёр объемом 600 м3 с эрлифтной системой

воздухораспределения:

7 — корпус; 2 — диффузор; 3 — воздуховод; 4 — ороситель; 5 — кювета; 6 — крепление диффузора; 7 — опора

раструба, кромки которого подняты вверх для образования кольцевой полости (кюветы). В кювету (рис. 5.24) по отдельному трубопроводу подается питательная среда, которая в виде тонкой пленки стекает с краев кюветы. При этом сливаемая из кюветы жидкость встречается с воздухом, проходящим со скоростью 20—25 м/с через зазор высотой 20—25 мм между кюветой и днищем аппарата. В процессе насыщения питательной среды воздухом образуется газожидкостная система, плотность которой в зоне диффузора 300—500 кг/м3, т.е. значительно меньшая, чем плотность среды между корпусом ферментёра и циркуляционным диффузором. За счет разности плотностей газожидкостная смесь в диффузоре поднимается вверх, а в нижней части на ее место поступает более плотная среда, которая, дойдя до кюветы, тоже насыщается воздухом, и так осуществляется направленная циркуляция среды. Это способствует перемешиванию питательных сред в аппарате, ее газонасыщению, увеличению среднего времени пребывания воздуха в среде. Средний расход воздуха на 1 кг АСД 25—35 м3, удельный расход воздуха на 1 м3 среды 45—55 м3/ч. Для отвода биологического тепла диффузор выполнен полым для циркуляции хладоагента. Вместе с этим предусмотрено орошение водой внешней поверхности корпуса аппарата. Гашение образующейся при аэрации пены происходит за счет давления столба газожидкостной эмульсии в ферментёре. Химические и механические пеногасители не используются.

03

Кювета для воздухораспределения и обеспечения контакта питательной среды с воздухом

Рис. 5.24. Кювета для воздухораспределения и обеспечения контакта питательной среды с воздухом

Однако такие ферментёры имеют ряд недостатков. Основным из них является плохое диспергирование воздуха в диффузоре, малое время контакта фаз, низкая степень использования подаваемого на аэрацию воздуха из-за прохода его в виде отдельных больших струй. Коэффициент сорбции кислорода питательной средой в этом аппарате сравнительно низкий и составляет 1,1 —

1.2 кг02/(м3 • ч). Производительность не превышает 6—7 т сухих дрожжей в сутки.

В последние годы на многих заводах мощностью до 15 тыс. т в год кормовых дрожжей внедрен более совершенный по сравнению с описанным ферментёр объемом 600 м3. В этом аппарате сохранен принцип эрлифтного перемешивания. При одинаковых объемах 600 м3 и равных энергетических затратах производительность ферментёра примерно на 15—20% выше. Внутри цилиндрического резервуара (рис. 5.25) по окружности основания расположены 12 циркуляционных удлиненных труб, благодаря которым происходит интенсивное перемешивание ферментационной среды. Воздухораспределители расположены под каждой циркуляционной трубой и радиально соединяются с основным воздуховодом. В верхней части циркуляционные трубы снабжены отражателями для лучшего контакта питательной среды с воздухом и разделения ее от газовой фазы (воздуха). Воздуховодная труба имеет диаметр 400 мм. В каждую циркуляционную трубу подается воздух под давлением 0,06 МПа в количестве 45—60 м3/(м3 • ч) от воздуховода через радиальные трубы коллектора. Питательная среда в ферментёр поступает непрерывно через коллектор и, попадая в воздухораспределитель, диспергируется потоком воздуха. Здесь происходит интенсивное насыщение среды воздухом, образование газо-жидкостной смеси, которая поднимается вверх по вертикальным циркуляционным трубам. Рабочее заполнение объема ферментёра 180—200 м3, высота слоя жидкости 4000 мм. Отвод тепла осуществляется благодаря орошению водой внешней поверхности корпуса аппарата и наличию теплообменных поверхностей циркуляционных труб типа «труба в трубе», в кольцевом пространстве которых циркулирует хладоагент. Материал ферментёра — нержавеющая сталь.

Рассредоточенная аэрация питательной среды увеличивает поверхность контакта жидкой и газовой фаз и скорость растворения кислорода в питательной среде. При выращивании дрожжей на углеводных средах с РВ 0,9—1,5 коэффициент сорбции кислорода 1,9—

2.2 кг 02/(м3 • ч). Благодаря рассредоточенной эрлифтной системе аэрации аппарат работает устойчиво, без образования волн в верхних слоях среды и вибрации корпуса.

Основными недостатками такого ферментёра являются большая металлоемкость и трудность очистки поверхностей внутренних узлов. На биохимических заводах мощностью от 15 до 60 тыс. т в год кормовых дрожжей из растительного сырья установлены и эксплуатируются барботажно-эрлифтные отечественные ферментёры объемом 1300 м3 с многозонным воздухораспределением. Эти аппараты используются также на заводах различной мощности для культивирования микроорганизмов с целью частичной очистки сточных вод. Увеличение единичной мощности ферментёров этого типа, при условии пропорционального роста производительности, экономически оправдано в связи с уменьшением объема металла на единицу получаемой биомассы и значительным сокращением эксплуатационных расходов.

Ферментёр с распределенной системой воздухораспределения

Рис. 5.25. Ферментёр с распределенной системой воздухораспределения:

1 — циркуляционная труба; 2 — отражатели; 3 — воздухоподвод; 4,5 — коллекторы для воды; б — корпус; 7 — воздухораспределитель; 8 — коллектор воздуха; 9 — коллектор рентабельной среды

Ферментёр объемом 1300 м3 (рис. 5.26) представляет собой стальной сварной аппарат с коническим днищем и крышкой. Рабочий объем аппарата условно разделен на 4—5 зон, в каждой из которых находится один циркуляционный диффузор. Работа ферментёра аналогична работе рассмотренного выше аппарата объемом 600 м3. Для увеличения времени пребывания воздуха в жидкой питательной среде, уменьшения проскока через жидкость больших пузырей и струй воздуха, более организованной циркуляции всей среды в ферментёре установлены отбойники. Отвод тепла осуществляется с охлаждающей поверхности циркуляционных диффузоров и орошением внешней поверхности корпуса водой.

3 45

Ферментёр объемом 1300 м

Рис. 5.26. Ферментёр объемом 1300 м3:

7 — корпус; 2 — газопровод; 3,4,5 — штуцера для подачи питательной среды, аммиачной воды и засевных дрожжей; 6 — отбойник; 7 — циркуляционные диффузоры; 8 — кювета

К недостаткам таких аппаратов относится низкая продуктивность выращивания дрожжей, которая не превышает 1,1—1,3 кг АСД/(м3 • ч). Это обусловлено низким коэффициентом сорбции кислорода, который не превышает 1,1 —1,2 кг 02/(м3 • ч). Удельная поверхность контакта фаз также невелика из-за проскока струй воздуха через среду.

Ферментёр системы Шоллер-Зайделя

Детальное описание аппарата приведено в работе [4; 27]. В ферментёре системы Шоллер-Зайделя аэрация культуральной жидкости осуществляется в 12 выносных циркуляционных трубах диаметром 0,35 м, установленных вокруг корпуса ферментёра. Воздух подается в циркуляционную трубу через керамическую свечу. В аппарате отсутствуют подвижные части. Для гашения пены применяется выносной механический пеногаситель. Охлаждение культуральной жидкости осуществляют воздухом, а в случае необходимости — путем наружного орошения корпуса ферментёра водой. Ферментёры системы Шоллер-Зайделя имеют ограниченные резервы интенсификации массообмена ввиду перемешивания культуральной жидкости воздухом при низких слоях жидкости. Эти ферментёры применяются на целлюлозных заводах Германии и Швейцарии.

Газлифтные колонные ферментёры

Одной из причин низкой интенсивности массопередачи кислорода в барботажно-эрлифтных аппаратах является малая длительность контакта газовых пузырьков с ферментационной средой. Для устранения этого недостатка и повышения движущей силы процесса массопередачи за счет давления аэрирующего газа в последние годы все шире используют барботажно-эрлифтные аппараты колонного типа с большой высотой столба жидкости (до 60—70 м). Отношение высоты к диаметру в основном составляет не менее 10. В настоящее время известно множество различных конструкций таких аппаратов. Схема одного из наиболее простых колонных ферментёров [43] изображена на рис. 5.27. Аппарат состоит из вертикальной колонны с диффузором, выносного циркуляционного контура с теплообменником и газораспределительного эжекционного устройства. Воздух подается в эжектор, где смешивается с культуральной жидкостью, засасываемой из циркуляционного трубопровода. Полученная газожидкостная смесь поступает внутрь диффузора, где происходит интенсивный процесс массообмена. Этот аппарат, используемый для выращивания бактерий рода Pseudomonas на среде с метанолом, характеризуется низкими энергозатратами на растворение кислорода (0,5 кВт • ч/кг) и получение биомассы (0,75 кВт • ч/кг).

Схема колонного ферментёра фирмы «Уде-Хёхст» (Германия)

Рис. 5.27. Схема колонного ферментёра фирмы «Уде-Хёхст» (Германия):

7 — диффузор; 2 — теплообменник; 3 — сопло-газораспределитель

В ряде случаев используют колонные ферментёры, разделенные на секции с помощью тарелок различных типов. В таких аппаратах можно организовать оптимальную структуру потоков газа и жидкости.

В нашей стране колонные ферментёры пока редко используются для промышленного производства продуктов микробного синтеза.

Различные варианты конструкций представлены на рис. 5.28 (а-ж) [291.

Теоретически подсчитанные скорости передачи кислорода и коэффициента передачи энергии при различной высоте ферментёров представлены в табл. 5.1.

Коэффициент передачи энергии является отношением передачи кислорода к затратам энергии.

Патент Великобритании [52] уточняет условия дегазации культуральной жидкости. Авторы считают, что при скорости движения жидкости в нижней расширенной части барботажной зоны 0,3— 0,6 м/с, в суженной — 2—2,5 м/с, в сепарационной — 0,01—0,2 м/с и в нисходящей — 2—2,5 м/с обеспечиваются лучшие условия выделения газа из культуральной жидкости. При высоте аппарата 50 м высота расширенной части барботажной зоны должна составлять не менее 35 м.

Институтом микробиологии им. А. Кирхенштейна АН Латвии предложен колонный ферментёр [58] емкостью 10 м3 (рис. 5.29). Для турбулизации жидкости газом по всей высоте колонны перпендикулярно к оси установлены барботёры, а для увеличения кратности

циркуляции — циркуляционная труба с выносными теплообменниками. Движение жидкости и газа в ферментёре прямоточное. Так как диаметр барботёра меньше внутреннего диаметра колонны, вдоль оси аппарата происходит некоторое повышение давления по сравнению со средним давлением в аппарате и часть смеси устремляется к внутренним стенкам цилиндра, вызывая местное перемешивание жидкости и образование восходящего потока вдоль стенок внутренней части аппарата. Применяют комплексное гашение пены: механическое и жидкостное. Результаты испытаний этого аппарата в производстве лизина на Ливанском опытно-биохимическом заводе показали достаточно высокую степень гомогенизации среды, равномерное распределение кислорода по высоте аппарата, высокое газонасыщение культуральной жидкости (до 25%) и высокий коэффициент использования кислорода воздуха при сравнительно малом его расходе.

i

д е ж

Рис. 5.28. Типы конструкций ферментёров фирмы «ICI» (Великобритания)

Газлифтный колонный ферментёр (рис. 5.30) выполнен в виде вертикальной цилиндрической емкости, внутри которой соосно установлен диффузор [9]. Аэратор расположен в кольцевом пространстве, образованном стенками емкости и диффузора. Новым конструктивным решением является выполнение аэратора из двух кольцевых желобов, расположенных один над другим с образованием гидрозатвора и обращенных днищами вверх, причем днища имеют отверстия для прохода воздуха и газожидкостной смеси, а высота нижнего желоба превышает его ширину.

Таблица 5.1

Теоретические значения скорости растворения кислорода и коэффициента передачи энергии в ферментаторах различной высоты

Скорость растворения кислорода, кг/м3 • ч

Коэффициент передачи энергии, кг/кВт • ч

Высота ферментатора, м

2

2,7

20

6

3,0

30

8

2,7

40

10

2,5

50

12

2,3

60

14

2,1

70

16

1,9

80

Предложен ферментёр (рис. 5.31), состоящий из вертикального цилиндрического сосуда с расширяющейся верхней частью [53]. Внутри сосуда расположено несколько перегородок, разделяющих аппарат на центральную секцию ферментации и две боковые секции рециркуляции. В основании ферментёра расположены теплообменник и газораспределитель. Необходимо подчеркнуть простоту конструктивных решений в аппарате для достижения заданных условий по перемешиванию, массообмену, отводу тепла и пенога-шению. Следует отметить, что зачастую усложнения конструкции ферментёра путем создания систем циркуляции с частыми изменениями направлений потоков и их делением в ферментёрах приводят к образованию сложных и металлоемких конструкций аппаратов и газораспределителей и не дают желаемого эффекта. Исследования показывают, что во многих случаях необходимые условия для культивирования микроорганизмов достигаются простыми конструктивными решениями. Это положение всегда должно лежать в основе проектирования ферментёров.

В ферментёрах с подводом энергии с газовой фазой, описанных выше, отсутствуют механические перемешивающие устройства и другие движущиеся элементы. Однако интенсивность сорбции кислорода в большинстве таких аппаратов невелика. Низкий коэффициент заполнения и высокая металлоемкость ограничивают область их применения.

Колонный аппарат с циркуляцией культуральной жидкости в результате ее способности к пенообразованию

Рис. 5.29. Колонный аппарат с циркуляцией культуральной жидкости в результате ее способности к пенообразованию:

7 — узел основного аэратора; 2 — основной аэратор; 3 — коническое днище корпуса аппарата; 4 — окно наблюдения; 5 — корпус аппарата; б — крышка аппарата; 7 — патрубок на крышке для подключения циклона; 8 — мерник пеногасителя; 9 — программный автомат пеногашения; 10 — штуцер для ввода посевной культуры; 11 — ввод в циклон; 12 — соленоидный вентиль; 13 — рубашка теплообменника; 14 — патрубок для подключения циркуляционного трубопровода к корпусу; 75 — дополнительный барботажный элемент; 16 — участок циркуляционной трубы из прозрачного материала; 77— циркуляционный трубопровод; 18 — выносное устройство пеногашения — циклон; 79 — гильзы лабиринта; 20 — ротор механического пеногасителя; 27 — отвод отработанного воздуха из циклона; 22 — электрод

Условные обозначения: Б — стерильный воздух на аэрацию; В — холодная вода; Г — отработанная вода; Д — пар; Е — готовый продукт; К — конденсат; Л — отработанный воздух; М — манометр. Штриховыми линиями со стрелками обозначены электропровода.

Схема газлифтного колонного ферментёра с диффузором

Рис. 5.30. Схема газлифтного колонного ферментёра с диффузором:

1 — корпус, 2 — диффузор, 3 — аэратор, 4 — нижний желоб, 5 — верхний желоб

Схема газлифтного колонного ферментёра

Рис. 5.31. Схема газлифтного колонного ферментёра:

1 — корпус, 2 — перегородки, 3 — воздухораспределитель, 4 — теплообменник

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы