АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ И АППАРАТОВ ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621:664.3.001.24

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-396-403

АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ И АППАРАТОВ

ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

А.С. Филиппова

Рассматриваются возможности применения процессов ферментации для промышленного синтеза продукции, получаемой биотехнологическим путем, приводится классификация ферментеров по способу подвода энергии к питательной среде, приводится расчет основных параметров ферментера с механическим перемешиванием и барботажем воздуха и исследуется зависимость условий работы данной конструкции при изменении различных базовых параметров.

Ключевые слова: биохимические процессы, ферментация, ферментер, ферментер с механическим перемешиванием и барботажем воздуха.

Ферментация (культивирование) - биохимический процесс превращения исходного сырья в продукт с использованием деятельности микроорганизмов или ферментов [1, 2]. Процессы ферментации широко применяются с целью получения ценных соединений, применяемых в различных отраслях промышленности. К таким соединениям относят белковые препараты, аминокислоты, органические кислоты, антибиотики, витамины, гормоны, ферменты, био-ПАВ, биопестициды и некоторые другие.

Ввиду большого разнообразия процессов культивирования существует несколько их классификаций, представленных на рис. 1.

По способу протекания процесса

Аэробная Анаэробная

По бремени протекания

По состоянию среды

Периодическая

Периодическая с подпиткой Объемно-долибочная Непрерыбноя

- Тбердофозная - поберхносшая -глушимая -б перемешибаемой и аэрируемой массе

Жидкофазная ■ поберхноапная ..глуаинная

Рис. 1. Классификация процессов ферментации

По природе используемых ферментод Микродиальная Немикробиальная

Аэробная и анаэробная ферментация применяется в зависимости от типа используемого микроорганизма-продуцента: если это аэробные организмы, то используются аэробные условия («с кислородом»), если организмы - анаэробные, то кислород для них является токсичным веществом, поэтому для таких организмов используются анаэробные условия («без кислорода»), а реактор продувается инертными газами.

По времени протекания процесса также выделяют несколько типов ферментации.

Периодическая ферментация предполагает загрузку всех компонентов в реактор, ожидание окончания процесса, слив продукта, промывку и стерилизацию реактора и затем повторение процесса.

Периодическая ферментация с подпиткой предполагает внесение в реактор части среды и затем непрерывную подачу оставшейся части до тех пор, пока весь объем не будет загружен в ферментер. Затем дожидаются окончания процесса ферментации, продукт сливают, реактор стерилизуют и запускают процесс снова.

Суть объемно-доливочной ферментации заключается в периодическом изъятии некоторого объема продукта из ферментера и замене его на эквивалентный объем среды.

При непрерывной ферментации в ферментере создаются оптимальные условия для протекания процесса, подача и вытекание питательной среды в аппарат происходит непрерывно.

Ферментативную реакцию возможно проводить как в жидкой, так и в твердофазной

среде.

Культивирование на жидких средах можно разделить на поверхностную и глубинную ферментацию. Поверхностная протекает в кюветах со средой. Кюветы располагают в вентилируемые воздухом камеры. В результате процесса на поверхности среды образуется биомасса в виде пленки или твердого слоя. Глубинная ферментация происходит во всем объеме жидкой среды.

Твердофазная ферментация в твердой, сыпучей или пастообразной среде влажностью от 30 до 80% осуществляется следующими способами: субстрат при поверхностных процессах располагают на подносах тонким слоем (3...7 мм); глубинную твердофазную ферментацию проводят в глубоких открытых сосудах, субстрат при этом не перемешивают; твердофазная ферментация проводится перемешиванием в аэрируемой массе субстрата [3, 4].

По природе используемых ферментов выделяют ферментацию микробиальной природы, то есть ферменты для реакции вырабатываются соответствующими микроорганизмами, и немикробиальной, когда используются готовые ферменты.

Основным уравнением, описывающим процесс ферментации, является уравнение Ми-хаэлиса-Мэнтена (1), согласно которому с увеличением концентрации субстрата скорость реакции V асимптотически растет, стремясь к максимальной величине, имеет вид

V _ ^шах • [Я] (1)

Км + [Я ]'

где ^тах - максимальная скорость ферментативной реакции; Км - константа Михаэлиса; [Я ] - концентрация субстрата.

График полученной зависимости показан на рис. 2.

Для осуществления процесса культивирования используется специальное оборудование, называемое ферментерами. Общая схема аппарата для культивирования приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема ферментера: 1 - корпус; 2 - мешалка; 3 - патрубок подвода посевной культуры; 4 - патрубок отвода продукта ферментации; 5, 6 - патрубки подвода и отвода воды, используемой для охлаждения; 7, 8 - патрубки подвода и отвода воздуха для аэрации

Оборудование должно быть простерилизовано перед работой; во время процесса ферментации реактор должен быть герметично закрыт, с целью не допустить попадания посторонних микроорганизмов. Если в ферментер подается воздух, он также должен быть очищен от посторонних микроорганизмов [1].

При изучении всего многообразия оборудования была выявлена наиболее универсальная классификация оборудования для проведения процесса культивирования, в которой конструктивные различия реакторов определяются способом подвода энергии в аппарат. Данная классификация представлена на рис. 4.

В ферментерах с подводом энергии к газовой фазе аэрация и перемешивание субстрата происходит сжатым воздухом. Ферментеры характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствие трущихся, движущихся узлов), высокой эксплуатационной надежностью, но при этом имеют не очень высокие массообменные характеристики (коэффициент массопереда-чи кислорода менее 4 кг/м3). К данной группе относятся барботажные, барботажно-эрлифные, трубчатые, форсуночные и колонные ферментеры [2, 3].

В ферментерах с подводом энергии с жидкой фазой энергия передается жидкой фазе самовсасывающей мешалкой или насосом. В последнем случае жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор) конструкций ферментеров этой группы. Биореакторы такого типа обеспечивают больший, в сравнении с группой ферментеров с подводом энергии с газовой фазой, коэффициент массопередачи кислорода, свыше 6 кг/м3. Однако они требуют высоких затрат энергии на обеспечение работы насосов и самовсасывающих мешалок. К данной группе относятся ферментеры с самовсасывающей мешалкой. с эжекторными перемешивающими устройствами, а также струйные ферментеры.

В ферментерах с комбинированным подводом энергии осуществлен подвод энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания. Основными конструкционными элементами являются перемешивающие устройства всех известных типов, различные аэрирующие устройства, а также системы насосов. Коэффициент массопередачи кислорода в таких ферментерах может в принципе иметь любые из известных значений. К данной группе относятся ферментеры с механическим перемешиванием и барботажем воздуха, эрлифтный с пневматическим перемешиванием, ферментер с циркуляционным перемешиванием [2, 3, 5].

Анализ конструкций с комбинированным подводом энергии показал, что наиболее эффективным является ферментер с механическим перемешиванием и барботажем воздуха (рис. 5), так как при проведении ферментации в конструкциях данного типа обеспечивается необходимая стерильность процесса, а механическое перемешивание обеспечивает высокую скорость массопередачи кислорода и питательных веществ. Также данные конструкции являются наиболее распространенными в современной биотехнологической промышленности, поэтому требуют всестороннего изучения.

Для данной конструкции в программе МмНеай были рассчитаны основные параметры: номинальный объем Vн = 100 м3; параметры днища: высота днища Нэл = 0,9 м; высота основания эллиптического днища М = 0,06 м; внутренняя поверхность эллиптического днища ^внд = 14,73 м2; объем эллиптического днища VдH = 6,69 м3; толщина стенки эллиптического днища 5д = 0,016 м; полная высота днища Нд = 0,96 м; высота цилиндрической части Нц = 8,52 м; общая высота Нобщ=10,45 м. Параметры мешалки: диаметр йм = 0,9 м; высота лопасти Нм = 0,180 м; высота от днища до верхней грани лопасти Нэп = 0,9 м; ширина лопасти I = 0,225 м; расстояние между стенкой и внутренним краем Ь=0,09 м; диаметр вала йв = 0,11 м; мощность, затрачиваемая на перемешивание Ым = 17,2 кВт. Параметры барботера: диаметр кольца йб = 0,9 м; количество отверстий п = 92; расстояние между соседними отверстиями ¡1 = 0,031 м; диаметр трубы йт = 0,085 м; расход воздуха в трубе Свозд = 0,933 м3/с.

С помощью разработанной программы МаШеай было исследовано взаимосвязанное влияние основных параметров на реализацию процесса и представлены соответствующие зависимости.

На рис. 6 представлена зависимость коэффициента теплопроводности питательной среды от степени ее вязкости и температуры культивирования, описываемая уравнением

КПС = 0,5646 • I°,°879 • СВ"°,135, (2)

где Кпс - коэффициент теплопроводности питательной среды; ^ - рабочая температура; СВ - степень вязкости питательной среды.

г*

§

&

о о

к

8

?! &

-К §

ьй ^ »

О

05

а о

о

а о

о

о

^

а о й<

05

о

й-

6

(Й а

ьй

(М

К К

С газовой фазой

Классификация ферментероб по способу подбода энергии

\

С жидкой фазой

/Ч

Барботохный

Барботахна-зрлифтный

11иы4мЬ

С форсуночным Воздухораспределением

Трубчатый /газлифтныйУ

■г-

Катиного типа

1 - корпус, 2 - барботер, 3- диффузор. 4 - пенасаситель, 5 - сепаратор. 6 - форсунка. 7 - тарелка. В - перелиВная труба

Струйный с 'затопленной струей'

Вояух

80ХШ

С зхекторныпи перемешивающими устройствами

у Ът срвдЬ

4

Струйный с 'падающей струей"

I - корпус, 2 - самовсасывающая мешалка 3 - диффузор, и - зжектар, 5 - насос. 6 - Воздухозаборник, 7 - рассекатель. 8 - труба с насадкой

С комбинированным подводом энергии

С механическим перемешиванием и барботожем воздуха

С циркуляционным перемешиванием

Эрлифтный с пнеВмотическим перем&пибанием с приданным пропеллером

аяаа

Зрлифтный с пневматически перемешиванием с диффузором

1 - корпус, 2 - мешалки; 3 - бсрботер, 4 - приданный пропеллер, 5 - дуффузор

Рис. 5. Ферментер с механическим перемешиванием и барботажем воздуха: 1 - корпус; 2 - привод; 3 - перемешивающее устройство; 4 - барботер; 5 - отверстие для ввода посевного материала; 6 - отверстие для отвода культуральной жидкости; 7 - отверстие для ввода воздуха в барботер; 8- отверстие для отвода воздуха из барботера; 9 - отверстие для ввода охладителя в сорочку; 10 - отверстие для отвода охладителя из сорочки; 11 - датчик рН; 12 - отверстие для ввода аммиачной воды; 13 - датчик растворенного кислорода; 14 - датчик температуры; 15 - датчик уровня пены; 16 - отверстие для ввода химического пеногасителя; 17 - отбор пробы; 18 - отверстие для промывки и стерилизации аппарата давлением

10 15 20 25 30 35 СВ, %

Рис. 6. Графики зависимостей коэффициента теплопроводности среды X от степени вязкости среды СВ при температурах 20, 30, 40 и 50 "С

Из графика следует, что при изменении степени вязкости с 10 % до 50 %, происходит падение коэффициента теплопроводности при температуре: 20 С - с 0,54 Вт/м-К до 0,43 Вт/м-К; 30 °С - с 0,56 Вт/м-К до 0,45 Вт/м-К; 40 °С - с 0,57 Вт/м-К до 0,46 Вт/м-К; 50 °С - с 0,58 Вт/м-К до 0,47 Вт/м-К. Во всех приведенных случаях с ростом вязкости среды происходит падение коэффициента теплопроводности примерно на 20 % (см. рис. 6).

На рис. 7 представлена зависимость мощности электродвигателя от плотности питательной среды и частоты вращения мешалки. Данная зависимость выражается формулой (3)

= км • р• п3 • ам, (3)

где Nм - мощность, затрачиваемая на перемешивание; КN - критерий мощности, зависящий

от интенсивности перемешивания, KN = 1,025; р - плотность перемешиваемой среды, 3

р = 1050 кг/м ; п - частота вращения мешалки; ам - диаметр мешалки, ам = 0,9 м.

50

н т

2 20

10

1 -п = 1 обе -о = 2 об/с

— п = 3 об/с — п = 4 об е

1»10

1.02-10

1.04*10 1.06-10

р, кг/м3

1.03« 10

1,1.10

Рис. 7. Графики зависимостей мощностей электродвигателя Ыы от плотности питательной среды р при частотах вращении мешалки 1, 2, 3 и 4 об./с

При изменении плотности среды с 1000 кг/м3 до 1100 кг/м3 и при частоте вращения мешалки: 1 об./с мощность меняется незначительно и составляет 0,61 кВт; при частоте вращения до 2 об./с мощность изменяется несущественно и составляет около 4,84 кВт; при 3 об./с происходит увеличение мощности с 16,34 до 17,98 кВт; при 4 об/с мощность двигателя от 38,74 до 42,61 кВт (см. рис. 7).

14г

2 6

О

20

ю0, м/с

Рис. 8. График зависимости расходов воздуха в барботажной трубе Овозд от скорости выхода воздуха из барботера ш0 при диаметрах газораспределительных патрубков

0,020, 0,025, 0,050 и 0,075 м

На рис. 8 представлена зависимость расходов воздуха в барботажной трубе в зависимости от скорости выхода воздуха из барботера и диаметра газораспределительных патрубков, выражаемая формулой

О

Ю0 • п•п•а2

возд

4

(4)

где ОвоЭд - расход воздуха в барботажной трубе, м3/с; шд - скорость выхода воздуха из барбо-тера, м/с; n - частота вращения мешалки, n = 3 об./с; d - диаметр газораспределительных патрубков в барботере, м.

При диаметре газораспределительных патрубков, равном 0,020 м и изменении скорости выхода воздуха от 10 до 30 м/с наблюдается рост расходов воздуха с увеличением скорости его выхода из патрубков. При этом расходы воздуха изменяются с 0,30 м3/с до 0,89 м3/с, то есть увеличиваются на 66 %. При увеличении диаметра газораспределительных патрубков до 0,025 м происходит увеличение его расхода на 198% (с 0,47 м3/с до 1,40 м3/с); при диаметре 0,050 м -на 373 % (с 1,87 м3/с до 5,60 м3/с); при диаметре 0,075 м увеличивается его расход с 4,20 м3/с до 12,59 м3/с, то есть на 200 % (см. рис. 8).

Таким образом, в результате проделанных исследований были составлены классификации процессов ферментации и оборудования для осуществления данного процесса, произведен конструктивный расчет аппарата с механическим перемешиванием и барботажем воздуха, а также исследовано взаимосвязанное влияние основных параметров на реализацию процесса ферментации.

Список литературы

1. Плаксин Ю.М., Малахов Н.Н., Ларин В.А. Процессы и аппараты пищевых производств. 2-е изд., перераб. и доп. М.: КолосС, 2006. 760 с.

2. Коротаева Е.О. Современное оборудование, используемое в биотехнологическом производстве. Ферментеры и биореакторы разных производителей // Актуальные вопросы фармацевтических и естественных наук. 2021. С. 319-322.

3. Свистунов А.И. Классификация способов ферментации и ферментеров // Вестник НГИЭИ 2013. №. 10. С. 109-114.

4. Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений; под ред. А.В. Катлинского: Издательский центр «Академия», 2008. 256 с.

5. Сидорова В.Ю. Особенности подвода энергии к различным фазам культуральных биореакторов // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. №. 5. С. 379-384.

Филиппова Анастасия Сергеевна, студент, stasya.filippova.01 @gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF DIFFERENT TYPES OF FERMENTATION PROCESS AND APPARATUS FOR ITS IMPLEMENTATION

A.S. Filippova

The possibilities of using fermentation processes for industrial synthesis of biotechnological-ly obtained products are considered, the classification of fermenters by the method of supplying energy to the nutrient medium is introduced, the calculation of the main parameters of the fermenter with mechanical mixing and air bubbling is given, and the dependence of the operating conditions of this structure is investigated when changing various basic parameters.

Key words: biochemical processes, fermentation, fermenter, fermenter with mechanical mixing and air bubbling.

Filippova Anastasia Sergeevna, student, stasya.filippova. 01 @gmail. com, Russia, Tula, Tula State University