Аппарат тесла в биотехнологии используют для

Обновлено: 28.01.2025

Важной задачей в создании любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для него.

При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенные отличия от химических, поскольку в биотехнологии используют более сложную организацию материи - биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) - это автономная саморегулирующаяся система. Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков - возрасту, физиологической активности, устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов среды.

Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет 10-4-10-8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью среды.

В основу подразделения биотехнологических процессов могут быть положены различные принципы, например, оценка принадлежности объектов к надцарствам живых существ, функциональной активности биообъекта, возможности вычленения отдельных этапов из биотехнологических схем производства в виде самостоятельных процессов: выделение, очистка и упаковка готового продукта и т.д. (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Систематизация биотехнологических процессов

Классификационные схемы подобного рода оправданы и ими можно пользоваться как равноправными.

Биотехнологические процессы условно можно подразделить на биологические, биохимические и биоаналогичные. К первым относят те из них, которые основываются на использовании акариот, прокариот и эукариот, вторые - на использовании ферментов и третьи - на химическом синтезе или полусинтезе веществ, функционально близких или эквивалентных первичным (получение аминокислот и др.) или вторичным метаболитам живых организмов (получение производных пенициллина и цефалоспорина, тетрациклина, нуклеиновых оснований и др.).

В общем виде любой биотехнологический процесс включает 3 основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную. Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов в общем виде может быть представлена схемой, в которой сделана попытка отразить все варианты ферментационных процессов (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Обобщенная схема процессов в биотехнологии

Предферментационная стадия

На этой стадии осуществляется хранение и подготовка культуры продуцента (инокулята), подготовка и получение питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологических и рециркулируемых воды и воздуха.

Компоненты питательных сред подбирают на основании расчета материального баланса, связанного с трансформацией того или иного источника питания в клеточную биомассу и/или метаболит при учете расходуемой (выделяемой) энергии. Обычно качественный и количественный состав питательных сред указан в регламентной документации.

Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии для получения целевых продуктов: чаще всего это биомасса микроорганизмов - продуцентов. Таковыми являются бактерии и низшие грибы, однако иногда в качестве продуцентов могут выступать клетки высших эукариот (насекомых, млекопитающих, растений).

Продуцент, его физиологобиохимические характеристики и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку продуцента в количествах, требуемых для начала процесса.

Промышленный штамм в идеале должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1) стабильности структурно-морфологических признаков и физиологической активности и эксплуатации в производстве;
2) повышенной скорости роста и биосинтеза целевого(-ых) продукта(ов);
3) достаточно широкому диапазону устойчивости к воздействию неблагоприятных внешних факторов (колебания температуры, рН, перемешиванию, вязкости среды);
4) умеренной требовательности к ограниченному числу источников питания; чем более широкий набор источников углерода, азота и других элементов может использовать производственный штамм, тем легче его культивировать, и с большей выгодой.

При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, т. е. проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии последовательных ферментаторов. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный продуцент по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия.

Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологических процессах применяются разные по происхождению и количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьируют.

Дозирование питательных компонентов подбирается и осуществляется индивидуально на каждом производстве в соответствии с технологическим регламентом конкретного процесса. В качестве дозирующего оборудования при этом применяются весовые и объемные устройства, используемые в пищевой и химической промышленности. Транспорт веществ осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами. Сыпучие компоненты подают в ферментаторы с помощью вакуумных насосов.

Часто применяют принцип предварительных смесей, т.е. соли предварительно растворяют и затем транспортируют по трубопроводам, дозируя их подачу по объему.

В силу исключительного разнообразия биотехнологических процессов и применяемых для их реализации сред, методов и аппаратуры, рассмотрение данных элементов далее будет связано с конкретными биотехнологическими производствами.

Ферментация

Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов. Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментаторе) и может быть организована различными способами в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта.

В ходе периодической ферментации выращиваемая культура проходит ряд последовательных стадий: лаг-фазу, экспоненциальную, замедления роста, стационарную и отмирания (рис. 2.2). При этом происходят существенные изменения физиологического состояния биообъекта, а также ряда параметров среды.

Рис. 2.2. Кривая роста микроорганизмов в ходе периодической ферментации: 1 - лаг-фаза; 2 - фаза экспоненциального роста; 3 - фаза линейного роста; 4 - фаза замедления роста; 5 - стационарная фаза; 6 - фаза отмирания

Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты - ферменты, аминокислоты, витамины, т. е. вещества, которые требуются для роста культуры клеток) и стационарной (вторичные метаболиты - антибиотики, алкалоиды, гормоны, токсины - низкомолекулярные вещества, не требующиеся для роста культуры, но необходимые для функционирования зрелой популяции, часто выполняющие защитную функцию) фазах, поэтому в зависимости от целей биотехнологического процесса в современных промышленных процессах применяют принцип дифференцированных режимов культивирования. В результате этого создаются условия для максимального производства того или иного целевого продукта.

Непрерывная ферментация биообъектов осуществляется в условиях установившегося режима, когда микробная популяция и ее продукты наиболее однородны, т. е. в стационарной фазе. Применение непрерывных процессов ферментации создает условия для эффективного регулирования и управления процессами биосинтеза. Системы непрерывной ферментации могут быть организованы по принципу полного вытеснения или полного смешения.

Первый пример - так называемая тубулярная культура: процесс ферментации осуществляется в длинной трубе, в которую с одного конца непрерывно поступают питательная среда и инокулят, а с другой - с той же скоростью вытекает культуральная жидкость и целевые продукты. Данная система проточной ферментации является гетерогенной и реализуется, как правило, без перемешивания.

При непрерывной ферментации в ферментаторах полного смешения (гомогенно-проточный способ) во всей массе ферментационного аппарата создаются одинаковые условия. Применение таких систем ферментации позволяет эффективно управлять отдельными стадиями, а также всем биотехнологическим процессом и стабилизировать продуцент в практически любом требуемом экспериментатору или биотехнологу состоянии.

Обеспечение процесса ферментации с точки зрения инженерной реализации сводится к дозированному поступлению в ферментатор потоков (инокулята, воздуха или газовых смесей, питательных биогенных элементов, пеногасителей) и отвода из него тепла, отработанного воздуха, культуральной жидкости, а также к измерению и стабилизации основных параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта.

В ходе ферментации образуются сложные смеси, содержащие клетки, внеклеточные метаболиты, остаточные концентрации исходного субстрата. При этом целевые продукты, как правило, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них легко разрушаются. Все это накладывает ограничения на методы выделения и сушки биологических препаратов.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Сычёв А. Е., Сычёв В. А., Воробьёва Г. И., Заикина А. И., Рогачева Р. А.

Биореакторы ( ферментёры ) составляют основу микробиологического производства различных продуктов. Разработана и предлагается к использованию конструкция импульсного аппарата , характеризующегося интенсивным массообменом и невысоким расходом электроэнергии.

PULSE DEVICES AND PROSPECTS OF THEIR USE IN BIOTECHNOLOGY

Bioreactors (fermenters) form the basis of microbiological production of various products. The design of the pulse device characterized by intensive mass transfer and low power consumption is developed and proposed for use.

ИМПУЛЬСНЫЕ АППАРАТЫ И ПЕРСПЕКТИВА ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В БИОТЕХНОЛОГИИ*

А.Е. СЫЧЁВ, В.А. СЫЧЁВ, Г.И. ВОРОБЬЁВА, А.И. ЗАИКИНА, Р.А. РОГАЧЕВА

Биореакторы (ферментёры) составляют основу микробиологического производства различных продуктов. Разработана и предлагается к использованию конструкция импульсного аппарата, характеризующегося интенсивным мас-сообменом и невысоким расходом электроэнергии.

Ключевые слова: ферментёр, импульсный аппарат, массообмен, энергозатраты, кормовые дрожжи

A.E.SYCHEV, V.A.SYCHEV, G.I.VOROBYOVA, A.I.ZAIKINA, R.A.ROGA-CHEVA. PULSE DEVICES AND PROSPECTS OF THEIR USE IN BIOTECHNOLOGY

Key words: fermenter, switching apparatus, mass transfer, power consumption, feed yeast

Интенсификация и эффективность производственных процессов в значительной степени определяются уровнем оснащения современным оборудованием. В областях биотехнологии, химии, экологии первостепенное значение имеет ферментационное оборудование, в частности аппараты. Правильный выбор или разработка конструкции новых аппаратов приобретает большое значение, поскольку они определяют мощность всего производства и себестоимость готового продукта.

В конструкциях ферментёров важными элементами являются: хорошее диспергирование воздуха, равномерная и эффективная циркуляция (распределение) диспергированной массы внутри аппарата, а также отвод тепла. Известны следующие основные типы аппаратов отечественного производства: барботажный (трубчатый и коробчатый), эрлифтный (типовой), эрлифтно-периферийный, эрлифтно-многозонный, многозонной конструкции, колонный, горизонтальный с самовсасывающими мешалками, эжекционный, дрожжерастильный АДР-1250, АДР-900-76, АДР-200, Б-50 и другие [1, с. 9, 35]. Из зарубежных моделей известны аппараты фирм «Леф-

Несмотря на большое разнообразие промышленных биореакторов, создаваемых различными фирмами, их можно подразделить на три основные группы в зависимости от системы перемешивания: аппараты с механическим, барботажным и эрлифтным перемешиванием. Биореакторы с механическим перемешиванием характеризуются тем, что воздух подают под давлением через распределитель, представляющий собой кольцо с множеством маленьких отверстий. При этом образуются мелкие пузырьки воздуха и за счёт механического перемешивания обеспечивается их равномерное распределение внутри аппарата. Для этой же цели используются мешалки, которые, разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору.

Эффективность распределения воздуха зависит от типа мешалки, числа её оборотов и физикохимических свойств используемой среды. При интенсивном перемешивании часто имеет место вспенивание, поэтому рабочий объём биореакторов такого типа не превышает 55%.

Биореакторы с барботажной системой возду-хораспределения отличаются тем, что перемешивание в них осуществляется восходящими потоками воздуха, который подают под высоким давлением в нижнюю часть биореактора через барботёры, которые представляют собой воздушные трубы с отверстиями диаметром 0,1 -0,2 мм. Подача воздуха под большим давлением приводит к сильному пенообра-зованию, поэтому рабочий объём биореакторов такого типа также не превышает 55%.

Биореакторы с эрлифтной системой воздухо-распределения характеризуются тем, что воздух подают через центральную трубу, которая обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости за счёт внешней системы циркуляции, которая осуществляется также с помощью труб, установленных снаружи аппарата.

Перечисленные типы аппаратов являются дорогостоящими, энергоёмкими и имеют недостаточную производительность. Исключение составляют аппараты АДР-1250 , АДР-900-76, АДР-200, Б-50 с высоким массообменом и удельной производительностью 2-2,5 кг/мз/час. Конструкция этих аппаратов была специально разработана для организации крупнотоннажного производства кормового белка на основе очищенных жидких углеводородов. Например, аппарат Б-50 представляет собой цилиндрическую ёмкость объёмом 900 м3, разделённую на 12 секций. В каждой секции установлено перемешивающее и аэрирующее устройство, работающее по принципу эжекционной турбины, всасывающей воздух из атмосферы и при движении (вращении) её происходит перемешивание воздуха с жидкостью. При вращении турбины жидкость на выходе, обладая большой энергией, создаёт разрежение. В разреженную зону подсасывается воздух из атмосферы по трубопроводу, соединённому с ёмкостью аппарата. В этой зоне происходит интенсивное смешение и насыщение кислородом. Мощность электродвигателя, установленного для привода каждой турбины, составляла 315 кВт.

Внедрение этих аппаратов в промышленное производство позволило получать на восьми действовавших в СССР крупнотоннажных заводах БВК (белково-витаминный концентрат) более 1 млн. т в год кормовых дрожжей для животноводства.

Однако в современных условиях при переходе на свободные цены на энергоносители, конструкция данных аппаратов оказалась неконкурентоспособной из-за большого потребления электроэнергии: затраты электроэнергии составили 10 кВт на 1 м3 жидкости или в пересчёте на 1 т белкового продукта 2800-3000 кВт. Таким образом, микробиологические производства на сегодняшний день не обеспечены экономически целесообразными промышленными аппаратами.

В связи с изложенным, большое практическое значение приобретают импульсные аппараты, имеющие принципиально иное конструирование,

обеспечивающее низкие энергозатраты при сохранении технологических показателей. Первые работы по импульсным аппаратам были выполнены А.А.Долинским с соавторами [1], которые сконструировали ферментёр, работавший на импульсной подаче воздуха в аппарат. Существенное отличие импульсного аппарата от всех известных заключается в резкой интенсификации взаимодействия поверхности контакта фаз (вода-воздух), что позволило существенно увеличить перенос газа в жидкую фазу. Это достигается периодической подачей из импульсатора в массообменный аппарат газожидкостной эмульсии. Управление интенсивностью массо-обмена осуществляется изменением частоты впуска и выпуска воздуха (цикличности) и его давлением. Частота пульсаций составляет 40-200 мин-1, скорость движения газожидкостной эмульсии - 3-7 м/с.

Результаты и обсуждение

В основе настоящих разработок была использована идея импульсного перемешивания, однако в отличие от описанного выше аппарата, взаимодействие газожидкостных фаз (вода - воздух) было обратным. То есть, известные импульсные ферментёры использовали движение жидкой фазы под давлением воздуха. В наших разработках, наоборот, процесс перемешивания протекает за счет передвижения самой жидкой фазы. Импульсный аппарат предлагаемой конструкции включает две одинаковые по объёму горизонтально расположенные герметические ёмкости, снабженные патрубками для подачи и отвода жидкой фазы, а также барботёрами для постоянной подачи сжатого воздуха. Перемешивание жидкой фазы из одной ёмкости в другую по переливным трубам осуществляется посредством устройства для поочередного отвода отработанного воздуха. Устройство содержит электромагнитные клапаны, управляемые посредством реле времени или другим устройством, например, датчиком уровня жидкости в аппарате. Через заданное время реле подаёт сигнал на открытие электромагнитного клапана и отработанный воздух отводится в атмосферу из одной ёмкости аппарата, в котором давление выше. При этом давление в этой ёмкости аппарата снижается и жидкая фаза перетекает из неё в другую ёмкость, после чего электромагнитный клапан закрывается. Далее этот же процесс протекает в другой ёмкости, и таким образом за счёт движения (перетекания) жидкостной фазы из одной ёмкости в другую происходит перемешивание.

В качестве примера на рис. 1-4 представлена принципиальная схема наиболее совершенной конструкции импульсного аппарата для выращивания микроорганизмов:

- рис. 1 - фронтальный вид аппарата;

- рис. 2 - вид аппарата сверху по А-А (см. рис. 1);

- рис. 3 - разрез аппарата по Б-Б (см. рис. 1);

- рис. 4 - разрез аппарата по В-В (см. рис. 1).

Аппарат работает следующим образом. Через патрубок (5) в ёмкости (1) и (2) подаются питательная среда и засевная культура, через барботё-ры (16) и (17) - воздух. Ёмкости (1) и (2) разделены

Вопросами технического обеспечения биотехнологических процессов занимается биоинженерия. Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса ферментации, а также для выделения и получения готового продукта. Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии.

Технически наиболее сложным процессом ферментации является аэробный глубинный стерильный непрерывный (или с подпиткой субстратом). Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее сложны и энергоемки.

В современной литературе описаны сотни биореакторов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от нескольких литров до нескольких тысяч кубометров). Многочисленность методов культивирования, чрезвычайное многообразие используемых биологических агентов привели к огромному разнообразию конструктивных решений, которые зависят от ряда факторов: типа продуцента и среды, технологии и масштабов производства, целевого продукта и пр.

Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается:
- в чувствительности биологических агентов к механическим воздействиям;
- наличии межфазового переноса веществ (по типу "жидкость-клетки", "газ - жидкость-клетки");
- требовании условий асептики;
- низких скоростях протекания многих процессов в целом;
- нестабильности целевых продуктов;
- пенообразовании;
- сложности механизмов регуляции биосинтеза.

Рассмотрим некоторые типы ферментационных аппаратов. Аппараты для анаэробных процессов применяются в процессах конверсии растительного сырья, в том числе растительных расходов, а также различных других отходов. При метановом брожении для получения биогаза, а также в ряде других процессов (получения ацетона, шампанских вин) используют ферментационные аппараты (метантенки).

Эти аппараты имеют различную конструкцию (от простой выгребной ямы до сложных металлических дайджестеров или железобетонных сооружений) и объемы (от нескольких до сотен кубометров). Данные аппараты оборудованы системой подачи сырья, системой теплообменных труб для стабилизации температуры, несложным перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и биомассы продуцента, газовым колпаком и устройством переменного объема (газгольдером) для сбора образуемого биогаза.

Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот (жидкофазные) и ферментов (твердофазные). Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в так называемых бродильных вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кюветы. В кюветы наливают жидкую питательную среду, высота слоя составляет 80-150 мм, затем с потоком подаваемого воздуха среду инокулируют порами продуцента.

В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днища штуцеры и поступает на обработку. При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых камерах, но вместо кювет на стеллажах размещают лотки, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10-15 мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков.

Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструктивно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача, возникающая при их конструировании, - обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется транспортом (переносом) кислорода и других биогенных элементов из среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Главным показателем массообменных характеристик ферментатора служит коэффициент массопередачи кислорода, так как кислород является основным лимитирующим фактором аэробных ферментационных процессов. Расход кислорода на образование 1 кг биомассы, в зависимости от типа углеродосодержащего сырья и степени его восстановленности, может составлять от 0,75 до 5,00 кг.

К настоящему времени разработано и применяется огромное количество разнообразнейших перемешивающих и аэрирующих устройств, и классифицировать их практически невозможно. Наиболее удачна, по нашему мнению, попытка классификации ферментационных аппаратов для аэробной глубинной ферментации по подводу энергии для перемешивания (Виестур и др.,1986, табл. 2.4). Согласно этой классификации аппараты такого типа делятся на три группы по подводу энергии: 1- к газовой фазе (ФГ), 2 - к жидкой фазе (ФЖ), 3 - комбинированный подвод (ФЖГ).

Таблица 2.4. Классификация ферментаторов по способу ввода энергии

Ферментаторы с подводом энергии к газовой фазе (рис. 2.7). Их общий признак - подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментаторы характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики (коэффициент массопередачи кислорода менее 4 кг/м -ч). Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов.

Рис. 2.7. Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ)
а - барботажный: 1-корпус, 2-воздухораспределитель, 3-карман, 4-коллектор; б - барботажно-колонный:
1- корпус, 2 - рубашка, 3-воздухораспределитель; в - барботажно-эрлифтный: 1-корпус, 2-диффузор-теплообменник, 3-воздухораспределитель; г - газлифтный: 1-корпус, 2- диффузор, 3-диспергатор, 4-воздухораспределитель, 5-теплообменник; д - трубчатый: 1-пеногаситель, 2-емкость, 3-трубы, 4-корпус, 5-распределительная перегородка;

Барботажный - газораспределительное устройство данного типа обычно устанавливается в нижней части аппарата; подаваемый сверху через распределительную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом толщу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1-2 кг/м -ч.

Барботажно-колонный - в нижней части корпуса такого аппарата устанавливается перфорированная пластина с диаметром отверстий 0,0005 м или сопловой эжектор с диаметром сопла 0,004 м.

Газлифтный колонный ферментатор состоит из двух колонн разного диаметра, соединенных между собой; одна представляет собой барботажную колонну с восходящим потоком воздуха, другая - циркуляционную с нисходящим потоком. Воздух вводится в нижнюю зону аппарата, в барботажную колонну; камера, соединяющая колонны в верхней части аппарата, образует большую поверхность контакта фаз.

Трубчатый аппарат сконструирован по типу теплообменных труб; взаимодействие газа в трубе при высоких скоростях продувки более интенсивное, чем в большом объеме, поэтому массообмен интенсивнее.

Аппарат с плавающей насадкой позволяет интенсифицировать массообмен за счет увеличения поверхности контакта фаз и турбулизации жидкости при работе с большими скоростями подачи газовой и жидкой фаз. В аппарат введены секционные элементы в виде решеток, оборудованных лопастной насадкой; в центре аппарата находится труба, через которую вводится воздух, а жидкая фаза поступает противотоком сверху. Газ, поступая в лопастную насадку, сделанную обычно из полиэтилена, вращает ее; это существенно увеличивает поверхность контакта газовой и жидкой фаз.

Ферментаторы с вводом энергии жидкой фазой (рис. 2.8) наиболее сложны по конструкции и энергоемки, но обеспечивают более высокие по сравнению с группой ферментаторов ФГ значения коэффициента массопередачи кислорода, свыше 6 кг/м -ч. В данных аппаратах ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалками или насосами; в последнем варианте жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор). Данные аппараты также можно подразделить на ряд типов.

Рис. 2.8. Ферментаторы с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ)
а - с самовсасывающей мешалкой: 1-корпус, 2-мешалка, 3-циркуляционный контур-обменник; б — эжекционный: 1-корпус, 2-насос, 3-эжектор, 4-диффузор-теплообменник, 5-воздухозаборник; в — струйный с затопленной струей: 1- эжектор, 2-теплообменник, 3-корпус, 4-насос, 5-рассекатель, 6-труба с насадкой; г — струйный с падающей струей: 1- теплообменник, 2-насос, 3-корпус, 4-эжектор

Ферментаторы с самовсасывающими мешалками не требуют специальных воздуходувных машин, так как поступление в них воздуха происходит в результате разрежения в воздушной камере мешалки, соединенной с воздуховодом и с жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки.

В эжекционных ферментаторах возможна рециркуляция газовой фазы, что экономит субстрат, однако требуется наличие специальных насосов для перекачки газосодержащей культуральной среды. Применение эжекционного ввода газовых субстратов в ферментатор может интенсифицировать массообмен на порядок.

Струйные ферментаторы (с затопленной или падающей струей) оборудуются мощными насосами, которые забирают культуральную жидкость из нижней части аппарата и через напорный трубопровод подводят поток к аэрирующему устройству (по типу шахтного перепада или напорно-струйные). Струя жидкости под давлением свободно падает сверху и пронизывает аэрируемую жидкость до дна аппарата.

Происходят интенсивная турбулизация и перемешивание жидкости. Внизу жидкость вновь засасывается насосом и снова подается вверх аппарата, т. е. возникает замкнутый контур циркуляции. Недостатком данных аппаратов являются потери энергии при перекачке жидкости, трудности проектирования в связи с отсутствием надежных методик расчета конструкций и режимов работы струйных и эжекционных устройств.

Третья группа аппаратов - с подводом энергии газовой и жидкой фазы (группа ФЖГ). Основными их конструкционными элементами являются перемешивающие устройства всех известных типов, а также наличие в совокупности насосов и перемешивающих устройств. Это могут быть аппараты с группой самовсасывающих мешалок и насосом для перекачивания культуральной жидкости и другие сочетания перемешивающих и аэрирующих устройств.

Коэффициент массопереноса кислорода в таких ферментаторах может в принципе иметь любой из известных значений.

Ферментаторы периодического действия из групп ФЖГ применяют с 1944 г. в промышленности для получения антибиотиков, витаминов и других биологически активных веществ. Их конструкции обеспечивают стерильность ферментации в течение длительного времени (нескольких суток) при оптимальных условиях для роста и жизнедеятельности продуцента.

Прогресс в области получения клеточных и рекомбинантных культур выдвигает специальные требования к биореакторам. При этом на первый план выдвигаются такие показатели, как стабильность биологических агентов, повышенные требования к асептике, лимитация срезовых условий при перемешивании и др.

Продукты

Все продукты, получаемые в биотехнологии, можно разделить на две группы:
1. Продукты основной биотехнологии - крупнотоннажные производства с невысокой степенью очистки:
- технические ферментные препараты: протеазы (для облагораживания некоторых видов мяса, обработки шкур); амилазы (для частичного гидролиза крахмала в крахмалсодержащих видах пищевого сырья, обработки муки), пектиназы (для осветления соков);
- пищевые добавки или сырье для их приготовления (белок одноклеточных организмов);
- микробиологические средства защиты растений, часто представляющих собой высушенную культуру микроорганизмов, патогенных для насекомых-вредителей сельского хозяйства;
- метаболиты для использования в пище и кормах: первичные метаболиты - аминокислоты, витамины, кислоты (лимонная кислота), спирты, растворители; вторичные метаболиты - антибиотики для медицины и ветеринарии.

2. Продукты тонкой биотехнологии - комплекс процессов и производств, ориентированный на получение высокоочищенных продуктов:
- высокоочищенные ферментные препараты, используемые в медицине в качестве лекарственных средств, при обработке пищевых продуктов, в качестве аналитических реагентов в клинической лабораторной диагностике и производстве (при контроле за ходом технологических процессов и качества готовой продукции химической технологии и биотехнологии);
- действующие основы лекарственных средств (инсулин и другие вещества гормонального действия).

Характерной особенностью биотехнологических сред является сравнительно низкое содержание целевых продуктов в них. Например, концентрация биомассы при производстве дрожжей составляет 5-10 %, а при производстве бактериальных препаратов не превышает 1-2 %, что требует различного оборудования для концентрирования.

Концентрирование биомассы является процессом обезвоживания - удаления воды, содержащей в веществе в свободном несвязанном состоянии. В зависимости от степени влажности, плотности вещества, размера твердых частиц, требований технологического характера в микробиологической промышленности применяют различные методы обезвоживания.

По энергетическому признаку выделяют два основных принципа обезвоживания: удаление из материала влаги без изменения агрегатного состояния в виде жидкости; удаление влаги с изменением агрегатного состояния, т.е. при фазовом превращении жидкости в пар. Первый принцип положен в основу механических способов обезвоживания (центрифугирование, сепарирование, и т.п.). Второй принцип обезвоживания (тепловая сушка) связан с затратами теплоты на фазовое превращение влаги.

Выбор методов предварительного обезвоживания биомассы основан на комплексном анализе технологических свойств объекта. Так, для концентрирования суспензии микроорганизмов применяют сепарацию или осаждение; для отделения мицелия предпочтительно использовать коагуляцию с последующей фильтрацией жидкости; концентрирование растворов антибиотиков и аминокислот производят путем выпаривания с многократным использованием теплоты в многокорпусных выпарных установках.

Выпарные пленочные аппараты

В микробиологической промышленности выпаривание применяют для концентрирования растворов, антибиотиков, ферментов, витаминов и т.п. Процесс выпаривания проводят под разряжением, при повышенном и атмосферном давлении. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара. Основное преимущество выпаривания под вакуумом заключается в том, что процесс можно проводить при более низких температурах по сравнению с другими вариантами.

Это особенно важно при концентрировании термолабильных материалов микробиологической природы, склонных к термической инактивации. Выпаривание нельзя рассматривать как чисто физический процесс, так как оно сопровождается нежелательными химическими превращениями вещества. Чем ниже температура нагрева и короче время нагрева, тем меньше происходит нежелательных побочных явлений.

Первое условие обычно достигается применением вакуума и быстрым охлаждением при конденсации, второе значительно труднее, так как требует выпарных аппаратов, обеспечивающих быстрое испарение влаги из концентрируемого продукта. Этому требованию наиболее соответствует пленочные выпарные аппараты.

Аппараты, в которых испарение растворителя происходит из тонкой пленки жидкости, движущейся под действием центробежной силы по быстро вращающейся поверхности теплообмена, получили название центробежных испарителей.

Из всех известных пленочных выпарных аппаратов центробежные испарители являются наиболее скоростными. Так, например, время контакта раствора с поверхностью теплообмена, необходимое для уменьшения его первоначального объема в пять раз, у испарителей с падающей пленкой составляет 300-600 с, роторных пленочных аппаратов - 20-30 с, центробежных испарителей - 1-3 с.

Испарители с вращающейся поверхностью теплообмена применяются в основном для концентрирования термолабильных и пенящихся растворов. В микробиологической промышленности они используются при упаривании ферментных растворов, чрезвычайно чувствительных к температурным воздействиям.

Поверхность теплообмена таких аппаратов выполнена из тонкостенных элементов, к одной стороне которых подведен теплоноситель, а к другой -испаряемая жидкость. В промышленности чаще других используются центробежные испарители с поверхностью теплообмена, выполненной из усеченных тонкостенных конусов.

Такой аппарат имеет (рис. 7.17) неподвижный кожух 1 с крышкой, внутри которого размещен ротор 2. В корпусе ротора установлен пакет усеченных конусов или пластин 4, образующих камеры для упаренного раствора и для греющего пара. Греющий пар вводится в ротор 2 и обогревает наружную вращающую стенку, а конденсат отводится из ротора с помощью отводной трубки 5. Подача раствора в аппарат осуществляется через патрубок 3. С ростом угловой скорости ротора происходит интенсификация процесса испарения пленки жидкости.

Рис. 7.17. Центробежный испаритель с вращающейся поверхностью теплообмена: 1 - неподвижный кожух; 2 - ротор; 3 - патрубок подачи раствора; 4 - вращающаяся пластина (конус); 5 - отводная трубка. Здесь и далее Он, G,c -начальный и конечный расход суспензии; Gu, W - первичный и вторичный расход пара (рис. Н.А. Войнова)

Это достигается в роторно-пленочных аппаратах, которые практически незаменимы при переработке вязких, термолабильных, кристаллизующихся сред. Конструкции роторно-пленочных испарителей представлены на рис. 7.18. Исходный раствор подается на внутреннюю поверхность корпуса аппарата и при помощи лопастей вращающегося ротора транспортируется в виде пленки по нагреваемой поверхности. При этом происходит его кипение и испарение влаги.

Рис. 7.18. Вертикальные роторно-плёночные испарители: 1 - корпус; 2 - вращающийся ротор; 3 - привод; 4 - лопасти (рис. Н. А. Войнова)

Несмотря на сложность конструкции и относительно небольшую площадь поверхности теплообмена роторные пленочные аппараты по сравнению с испарителями других типов имеют ряд преимуществ. К ним относятся малое время пребывания жидкости в аппарате; пониженное пенообразование при выпаривании сильно пенящихся веществ; большое отношение начального расхода раствора к выходу конечного продукта; возможность упаривания вязких жидкостей и получения готового продукта в виде сухого порошка.

Основное преимущество роторно-пленочных испарителей заключается в возможности достижения более высоких значений степени выпаривания, которая представляет собой отношение массы испарившегося растворителя к исходной массе упариваемого раствора. Известны пленочные трубчатые испарители работающие при сравнительно низкой полезной разности температуры (3-6) °С по сравнению с традиционными аппаратами циркуляционного типа (10-2) °С. Они обеспечивают высокие коэффициенты теплоотдачи до 20 000 Вт/(м2-К), большую производительность по вторичному пару 200 кг/(ч-м2) и более, низкую температурную депрессию 1 °С, малое время обработки продукта (3-10 с).

Пленочные аппараты наиболее перспективны при работе под вакуумом, так как их низкое гидравлическое сопротивление позволяет обеспечить высокую величину вакуума по высоте аппарата. А отсутствие гидростатического напора позволяет вести процесс кипения при постоянной низкой температуре. Наибольшее распространение в промышленности получили установки с восходящей пленкой (рис. 7.19), в которых раствор транспортируется потоком вторичного пара в виде пленки по внутренней поверхности контактных труб. Они используются при выпаривании маловязких растворов, в том числе пенящихся и не чувствительных к высоким температурам.

Рис. 7.19. Схемы пленочных испарителей с восходящей пленкой: 1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3, 4 - контактные трубы (рис. Н.А. Войнова)

Достоинством аппаратов с поднимающейся пленкой является сравнительно небольшое время пребывания раствора в зоне высокой температуры. Основным их недостатком является наличие большой полезной разности температур (11-17) °С, чувствительность к изменению режима работы, зарастание верхней части труб накипью и отложениями, сравнительно невысокая зона кипения, которая различна в каждой трубе и зависит от местной скорости нагревания. Для устранения накипи на поверхности труб предложена конструкция (рис. 7.19, б), в которой предусмотрены устройства для ввода дополнительного раствора во внутрь труб греющей камеры, где он распределяется потоком вторичного пара на поверхности, препятствуя тем самым оголению.

Известны выпарные аппараты комбинированного типа (рис. 7.19, в), где реализуется восходящее и нисходящее пленочное течение раствора, что позволяет получить в одном аппарате более концентрированный раствор. Однако при этом усложняется конструкция аппарата и увеличиваются его габариты. Использование выпарных аппаратов с восходящей пленкой для условий работы под вакуумом затруднено из-за их высокого гидравлического сопротивления. В связи с этим наиболее предпочтительны выпарные аппараты со стекающей пленкой, которые можно разделить на прямоточные и противоточные.

Наименьшим гидравлическим сопротивлением и наибольшей производительностью обладают аппараты с нисходящей пленкой и прямоточным движением пара, схемы конструкций, которых представлены на рис. 7.20. Работа испарителей со стекающей пленкой не зависит от местных скоростей кипения, и расходы в каждой трубке практически одинаковы, вне зависимости от скорости кипения. Указанные испарители могут работать в широком диапазоне производительности при малой разности температур.

Это идентично во многих отношениях работе испарителя с принудительной циркуляцией. Именно эта характеристика позволяет проектировать испарительные системы с большим числом ступеней, в каждой из которых используются малая разность температур между паром и раствором, что позволяет получить более высокую экономию энергии и увеличивать концентрацию раствора с дополнительной экономией вследствие большей рекуперации тепла в процессе кипения концентрированного раствора на поверхности нагрева.

Высокая рециркуляция жидкости, а также хорошее ее распределение по периметру труб препятствует образованию сухих участков вследствие пересыхания при кипении, тем самым уменьшается возможность образования осадка на пленкообразующей поверхности. Низкое термическое сопротивление стекающей пленки и высокая ее турбулентность позволяет снизить поверхность теплообмена по сравнению с восходящей пленкой. Общие эксплуатационные расходы, включающие пар, электроэнергию, охлаждающую воду и вторичный пар, у испарителей с нисходящей пленкой значительно ниже, по сравнению с испарителями с восходящей пленкой.

Увеличение потребления электроэнергии вследствие рециркуляции раствора через трубы компенсируется более низким потреблением пара и расширенными рабочими циклами. Действительные эксплуатационные расходы на единицу массы воды, выпаренной из раствора, примерно на 20 % ниже, чем у эквивалентного испарителя с поднимающей пленкой. С целью повышения производительности за счет увеличения длины цилиндрических труб греющей камеры разработаны испарители с выносным сепаратором (рис. 7.20, б). С целью снижения скорости пара в трубах разработан аппарат (рис. 7.20, в) с запасным отводом вторичного пара. Это позволяет частично снизить гидравлическое сопротивление аппарата, уменьшить температурную депрессию, увеличит производительность.

Рис. 7.20. Пленочные испарители с нисходящей пленкой: 1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - контактные трубы (рис. Н.А. Войнова)

Рис. 7.21. Пленочные испарители со стекающей пленкой при конденсации вторичного пара на поверхности центральных труб: 1 - корпус; 2 - контактные трубы; 3 -центральные трубы; 4 - патрубки для отвода конденсата вторичного пара; 5 - отвод хладагента; 6 - камера для вывода раствора (рис. Н.А. Войнова)

Для достижения высокой производительности, особенно при работе под вакуумом, наиболее перспективны пленочные трубчатые аппараты с нисходящим прямотоком и конденсацией вторичного пара на поверхности центральных труб (рис. 7.21).

В рассматриваемых аппаратах вследствие конденсации вторичного пара на поверхности центральных труб или змеевиков увеличивается движущая сила процесса, снижается скорость вторичного пара по длине трубы. Это позволяет увеличить удельную тепловую нагрузку и расход рабочей жидкости, снизить гидравлическое сопротивление и тем самым обеспечить глубокий вакуум, высокую производительность по испаряемой влаге и низкую температурную депрессию.

Биотехнология имеет разные направления, и каждое имеет свое применение. На её основе можно разрабатывать продукты и решения в таких областях, как медицина, сельское хозяйство, животноводство, пищевая промышленность, биоэнергетика, химическая промышленность, электроника и т.д. В каждой из этих отраслей применяется специализированное оборудование, котором подробнее расскажем в этой статье.

Оборудование в фармацевтической промышленности

Фармацевтическая промышленность – обширная область, и ей необходимо оборудование высокого качества. Основные преимущества, предлагаемые этими машинами:

Есть несколько типов машин и оборудования для фармацевтической промышленности, такие как смесители и мешалки для порошков, среди многих других, для крупномасштабного производства фармацевтических продуктов, таких как лекарства и косметика.

Ознакомьтесь со списком основного оборудования, используемого в лаборатории фармацевтической промышленности.

Оборудование для химической промышленности

Химическая промышленность – область, которая занимает все больше места в экономике страны. Гранулятор с большим усилием сдвига является примером базовой промышленной машины в химической промышленности. Это машина, которая выполняет влажное гранулирование смеси различных порошков, что гарантирует однородный, надежный и однородный продукт. Это также может происходить посредством грануляции из расплава, когда частицы агломерируются при перемешивании. Незаменим в химической и фармацевтической промышленности.

Откройте для себя часть основного оборудования, используемого в повседневной работе химической лаборатории:

Оборудование для пищевой промышленности

Машины и оборудование для в пищевой промышленности очень важны для подготовки, мойки, сортировки, резки, сушки и шелушение пищи распределенным в супермаркетах, мясных магазинах, ресторанах, закусочных и других предприятий, которые предлагают упакованные или в натуральных продуктах.

Во всех типах машин и оборудования для пищевой промышленности можно найти большое экономическое преимущество при выборе бывшего в употреблении оборудования. Все это оборудование и машины обеспечивают своевременное выполнение производственных процессов в большом количестве и с высоким качеством. На рынке имеется много машин и оборудования для пищевой промышленности в новых и подержанных моделях. Каждый играет важную роль в этом сегменте.

Ниже приведены некоторые примеры машин и оборудования и их основные области применения:

Мясорезка: незаменима в мясных лавках и супермаркетах, эта машина может нарезать куски мяса кубиками или обработать их.
Промышленная центрифуга: тип машины, удаляющей излишки воды из продуктов. Широко используется для сушки овощей, фруктов и овощей.
Фритюрница с опрокидыванием: это важный предмет для ресторанов. Среди машин и оборудования для пищевой промышленности очень важна его способность одновременно жарить большое количество продуктов.
Бак из нержавеющей стали: бак из нержавеющей стали используется для мытья и приготовления пищи. Поскольку это устройство изготовлено из очень гигиеничного материала, пищевые продукты, хранящиеся в резервуаре из нержавеющей стали, имеют низкий уровень загрязнения.
Поперечная резка: среди машин и оборудования для пищевой промышленности, поперечная резка является одним из наиболее часто используемых предметов, поскольку используется для резки любых продуктов, от овощей до мяса.
Моечная машина для овощей: еще одно оборудование, которое следует упомянуть для пищевой промышленности, - это моечная машина для овощей. Это оборудование предназначено для мытья большого количества овощей за меньшее время.

Таким образом, биотехнология приносит огромные выгоды сельскому хозяйству, от повышения урожайности сельскохозяйственных культур, сокращения потерь и производственных затрат, оптимизации использования агрохимикатов до возможности увеличения питательной ценности продуктов питания. Но его положительное влияние не ограничивается продовольственным сектором. Одно можно сказать наверняка: биотехнология может во многом улучшить жизнь людей. Каким бы ни было заболевание, лекарство может заключаться всего в нескольких годах исследований, начиная с лабораторного изучения защитных сил и свойств организмов.

Читайте также: